JVM：HotSpot虚拟机----对象的创建简单介绍及对象内存布局详解

ゝ一纸荒年。 2021-12-07 14:39 309阅读 0赞

## 对象的创建 ##

> 我们知道JAVA是面向对象的，在语言层面上，创建对象通过一个关键字new就可以完成。

**在虚拟机中，创建一个普通对象的过程就比较复杂：**

*  虚拟机遇到一条new指令
    
     *  首先去**检查这个指令的参数是否能在常量池中定位**到一个类的符号引用1；
     *  **检查**这个符号引用代表的类**是否已被加载、解析和初始化过**；
        
         *  若没有，先执行相应的类加载过程；
     *  **类加载检查通过后，虚拟机为新生对象进行内存的分配**2，对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定；
     *  内存分配完成后，虚拟机需要将**分配到的内存空间都初始化为零值**（不包括对象头3）；
     *  虚拟机要**对对象进行必要的设置**（例如该对象是哪个类的实例、如何找到类的元数据信息、对象的哈希码等）。这些信息都存放在对象的对象头中（如此看来，对象头很重要啊）。

> 上面的工作完成后，从虚拟机视角看，一个新的对象已经产生，但从Java程序视角来看，对象创建才刚刚开始————< init>方法4还没有执行，所以的字段都还是零。一般来说执行new指令后会接着执行<  
> init>方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

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## 对象的内存布局 ##

**在HotSpot虚拟机里，对象在内存中的存储布局分为三部分：**

*  **对象头（Header）** 包括两部分信息：
    
     *  **1.用于存储对象自身的运行时数据（官方称为“Mark Word”）；**
     *  **2.类型指针。**  
        这些信息是对对象的附加说明标志的信息，与对象的自身定义的数据无关，就如我们的快递单和实际快递实物没有实际关系一样。
 *  **实例数据（Instance Data）** 就是对象真正存储的有效信息。
 *  **对齐填充（Padding）** 仅仅起着占位符的作用。

图解：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NDgyMTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
（图片来源：[JVM（三）JVM中对象的内存布局详解][JVM_JVM]）  
![在这里插入图片描述][20190717033706654.png]  
（图片来源：[java虚拟机对象内存分布详解][java]）

## **一、对象头** ##

我们知道对象头包含两部分

*  **用于存储对象自身的运行时数据（“Mark Word”）**：对象头信息是相对于对象自身定义数据无关的额外存储信息。所以为了充分利用这部分的空间，根据对象不同的状态将这部分存储不同的信息。

表1：HotSpot虚拟机对象头 Mark Word

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">存储内容</th> 
   <th align="center">标志位</th> 
   <th align="center">状态</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">对象哈希码、对象分代年龄</td> 
   <td align="center">010</td> 
   <td align="center">未锁定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">指向锁记录的指针</td> 
   <td align="center">00</td> 
   <td align="center">轻量级锁定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">指向重量级锁的指针</td> 
   <td align="center">10</td> 
   <td align="center">膨胀（重量级锁定）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">空，不需要记录信息</td> 
   <td align="center">11</td> 
   <td align="center">GC标记</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">偏向线程ID、偏向时间戳、对象的分代年龄</td> 
   <td align="center">101</td> 
   <td align="center">可偏向</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

例如：在32位HotSpot虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态下，那么Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0。下表是不同状态下对象存储内容的详细表：

下表为32位Mark Word的详细分布：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NDgyMTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
（图片来源：[java虚拟机对象内存分布详解][java]）  
要理解上图，我们需要知道什么是GC标记，即垃圾回收算法。[这里的介绍比较不错][Link 1]  
还需要知道锁的概念，[对象锁][Link 2]  
在多线程的情况下，锁在线程安全中扮演着举重轻重的作用。可以参考：[浅谈偏向锁、轻量级锁、重量级锁][Link 3]

*  **类型指针**  
    类型指针即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。  
    **但这个又不是必须的，** 这就牵扯到对象的访问方式问题了，如果使用直接指针访问方式，需要用到；若是使用句柄访问，因为句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息，所以就用不到类型指针了。
 *  如果对象是一个Java数组对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机无法从数组的元数据中确定数组的大小

## 二、实例数据 ##

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也既是我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的都需要记录下来。

这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。

> HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果 CompactFields参数值为true（默认为true），那子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

基本规则：

1.存储顺序见下表：默认基本类型在前，按长度由长至短存储，然后就是对象指针引用。相同宽度的字段分配到一起。如果设置了-XX:FieldsAllocationStyle=0（默认是1），那么引用就会放在最前面。  
2.对于同宽度的字段，父类在前子类在后。如果开启CompactFields,那么，子类中较窄的变量就会插到父列的变量的空隙中。

如图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NDgyMTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 三、对齐填充 ##

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说就是对象的大小必须是8字节的整数倍。对象头正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此当对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

[该博客下有一个例子：][JVM_JVM]

32 位系统下，当使用 new Object() 时，JVM 将会分配 8（Mark Word+类型指针） 字节的空间，128 个 Object 对象将占用 1KB 的空间。如果是 new Integer()，那么对象里还有一个 int 值，其占用 4 字节，这个对象也就是 8+4=12 字节，对齐后，该对象就是 16 字节。

以上只是一些简单的对象，那么对象的内部属性是怎么排布的？

Class A { 
        int i;
        byte b;
        String str;
    }

其中对象头部占用 ‘Mark Word’4 + ‘类型指针’4 = 8 字节；byte 8 位长，占用 1 字节；int 32 位长，占用 4 字节；String 只有引用，占用 4 字节；那么对象 A 一共占用了 8+1+4+4=17 字节，按照 8 字节对齐原则，对象大小也就是 24 字节。

> 这个计算看起来是没有问题的，对象的大小也确实是 24 字节，但是对齐（padding）的位置并不对：在 HotSpot VM  
> 中，对象排布时，间隙是在 4 字节基础上的（在 32 位和 64 位压缩模式下）。上述例子中，int 后面的 byte，空隙只剩下 3  
> 字节，接下来的 String 对象引用需要 4 字节来存放，因此 byte 和对象引用之间就会有 3 字节对齐，对象引用排布后，最后会有 4  
> 字节对齐，因此结果上依然是 7 字节对齐。

此时对象的结构示意图，如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NDgyMTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

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1.  例如我们定义一个名字为student的class类 ，student就是该类的一个符号引用。 ↩︎
2.  为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。 ↩︎
3.  对象头会在内存布局中详讲。 ↩︎
4.  init方法是类中的一个特殊的对象方法,专门用来对象创建的对象进行初始化。  
    当通过类创建对象的时候，系统就会自动调用init方法。 ↩︎

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NDgyMTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211207/f526bdaa91ed4287bfde7587b480db91.png
[JVM_JVM]: https://blog.csdn.net/liupeifeng3514/article/details/79111565
[20190717033706654.png]: /images/20211207/0207a2aa1ebe4bbd8535d1a1abe3178b.png
[java]: https://blog.csdn.net/qq_42320048/article/details/96110544
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NDgyMTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20211207/65dd666def1e440898efd974dbcf4d0f.png
[Link 1]: http://youzhixueyuan.com/jvm-garbage-collection-algorithm.html
[Link 2]: https://baike.baidu.com/item/%E5%AF%B9%E8%B1%A1%E9%94%81/1101154?fr=aladdin
[Link 3]: https://www.jianshu.com/p/36eedeb3f912
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NDgyMTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20211207/291e5d5d9750421a9fea914504a78065.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzM3NDgyMTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20211207/338d78ebdcef4bceaab1d78c5761f06b.png