JVM系列(三) - JVM对象探秘

蔚落 2022-05-15 02:22 233阅读 0赞

# 前言 #

对于 `JVM` 运行时区域有了一定了解以后，本文将更进一步介绍虚拟机内存中的数据的细节信息。以`JVM`虚拟机(`Hotspot`)的内存区域`Java`堆为例，探讨`Java`堆是如何**创建对象**、如何**布局对象**以及如何**访问对象**的。

# 正文 #

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## (一). 对象的创建 ##

说到对象的创建，首先让我们看看 `Java` 中提供的几种对象创建方式：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">Header</th> 
   <th align="left">解释</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">使用new关键字</td> 
   <td align="left">调用了构造函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">使用Class的newInstance方法</td> 
   <td align="left">调用了构造函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">使用Constructor类的newInstance方法</td> 
   <td align="left">调用了构造函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">使用clone方法</td> 
   <td align="left">没有调用构造函数</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">使用反序列化</td> 
   <td align="left">没有调用构造函数</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

下面举例说明五种方式的具体操作方式：

Employee.java

public class Employee implements Cloneable, Serializable { 
        private static final long serialVersionUID = 1L;
        private String name;
    
        public Employee() {}
    
        public Employee(String name) {
            this.name = name;
        }
    
        public String getName() {
            return name;
        }
    
        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
    
        @Override
        public int hashCode() {
            final int prime = 31;
            int result = 1;
            result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());
            return result;
        }
    
        @Override
        public boolean equals(Object obj) {
            if (this == obj)
                return true;
            if (obj == null)
                return false;
            if (getClass() != obj.getClass())
                return false;
            Employee other = (Employee) obj;
            if (name == null) {
                if (other.name != null)
                    return false;
            } else if (!name.equals(other.name))
                return false;
            return true;
        }
    
        @Override
        public String toString() {
            return "Employee [name=" + name + "]";
        }
    
        @Override
        public Object clone() {
            Object obj = null;
            try {
                obj = super.clone();
            } catch (CloneNotSupportedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return obj;
        }
    }

#### 1. new关键字 ####

这是最常见也是最简单的创建对象的方式了。通过这种方式，我们可以调用任意的构造函数(无参的和带参数的)。

Employee emp1 = new Employee();

Employee emp1 = new Employee(name);

#### 2. Class类的newInstance方法 ####

我们也可以使用`Class`类的`newInstance`方法创建对象。这个`newInstance`方法调用**无参**的构造函数创建对象。

*  **方式一：**

Employee emp2 = (Employee) Class.forName("org.ostenant.jvm.instance.Employee").newInstance();

*  **方式二：**

Employee emp2 = Employee.class.newInstance();

#### 3. Constructor类的newInstance方法 ####

和`Class`类的`newInstance`方法很像， `java.lang.reflect.Constructor`类里也有一个`newInstance`方法可以创建对象。我们可以通过这个`newInstance`方法调用**有参数**的和**私有**的**构造函数**。其中，`Constructor`可以从对应的`Class`类中获得。

Constructor<Employee> constructor = Employee.class.getConstructor();
    Employee emp3 = constructor.newInstance();

> 这两种newInstance方法就是大家所说的反射。事实上Class的newInstance方法内部调用Constructor的newInstance方法。

#### 4. Clone方法 ####

无论何时我们调用一个对象的`clone`方法，`JVM`都会创建一个新的对象，将前面对象的内容全部**拷贝**进去。用`clone`方法创建对象并不会调用任何构造函数。

为了使用`clone`方法，我们需要先实现`Cloneable`接口并实现其定义的`clone`方法。

Employee emp4 = (Employee) emp3.clone();

#### 5. 反序列化 ####

当我们**序列化**和**反序列化**一个对象，`JVM`会给我们创建一个**单独**的对象。在反序列化时，`JVM`创建对象并不会调用任何构造函数。

为了反序列化一个对象，我们需要让我们的类实现`Serializable`接口。

ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
    ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(out);
    oos.writeObject(emp4);
    
    ByteArrayInputStream in = new ByteArrayInputStream(oos.toByteArray());
    ObjectInputStream ois =new ObjectInputStream(in);
    
    Employee emp5 = (Employee) in.readObject();

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本文以`new`关键字为例，讲述`JVM`堆中对象实例的创建过程如下：  
1. 当虚拟机遇到一条`new`指令时，首先会检查这个**指令的参数**能否在**常量池**中定位一个**符号引用**。然后检查这个**符号引用**的类字节码对象是否**加载、解析和初始化**。如果没有，将执行对应的类加载过程。

1.  **类加载** 完成以后，虚拟机将会为新生对象**分配**内存区域，对象所需内存空间大小在类加载完成后就已确定。
2.  **内存分配** 完成以后，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为**零值**。
3.  虚拟机对对象进行一系列的**设置**，如**所属类的元信息**、**对象的哈希码**、**对象GC分带年龄** 、**线程持有的锁** 、**偏向线程ID** 等信息。这些信息存储在**对象头** (`Object Header`)。

上述工作完成以后，从虚拟机的角度来说，一个新的对象已经产生了。然而，从`Java`程序的角度来说，对象创建才刚开始。

## (二). 对象的布局 ##

`HotSpot`虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：**对象头**（`Header`）、**实例数据**（`Instance Data`）和**对齐填充**（`Padding`）。

### 对象头 ###

在`HotSpot`虚拟机中，对象头有两部分信息组成：**运行时数据** 和 **类型指针**。

**1. 运行时数据**  
用于存储对象自身运行时的数据，如**哈希码**（hashCode）、**GC分带年龄**、**线程持有的锁**、**偏向线程ID** 等信息。

这部分数据的长度在`32`位和`64`位的虚拟机（暂不考虑开启压缩指针的场景）中分别为`32`个和`64`个`Bit`，官方称它为 `“Mark Word”`。

> 在32位的HotSpot虚拟机中对象未被锁定的状态下，Mark Word的32个Bit空间中的25Bit用于存储对象哈希码（HashCode），4Bit用于存储对象分代年龄，2Bits用于存储锁标志位，1Bit固定为0。

在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>存储内容</th> 
   <th align="left">标志位</th> 
   <th align="left">状态</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>对象哈希码、对象分代年龄</td> 
   <td align="left">01</td> 
   <td align="left">未锁定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>指向锁记录的指针</td> 
   <td align="left">00</td> 
   <td align="left">轻量级锁定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>指向重量级锁的指针</td> 
   <td align="left">10</td> 
   <td align="left">膨胀（重量级锁定）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>空，不需要记录信息</td> 
   <td align="left">11</td> 
   <td align="left">GC标记</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄</td> 
   <td align="left">01</td> 
   <td align="left">可偏向</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**2. 类型指针**  
指向实例对象的**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。

如果对象是一个`Java`数组，那在**对象头**中还必须有一块用于记录**数组长度**的数据。

### 实例数据 ###

**实例数据** 部分是对象真正存储的**有效信息**，无论是从**父类继承**下来的还是该类**自身的**，都需要记录下来，而这部分的**存储顺序**受虚拟机的**分配策略**和**定义的顺序**的影响。

默认分配策略：

> long/double -> int/float -> short/char -> byte/boolean -> reference

如果设置了`-XX:FieldsAllocationStyle=0`（默认是`1`），那么**引用类型**数据就会优先分配存储空间：

> reference -> long/double -> int/float -> short/char -> byte/boolean

**结论：**

> 分配策略总是按照字节大小由大到小的顺序排列，相同字节大小的放在一起。

### 对齐填充 ###

`HotSpot`虚拟机要求每个对象的**起始地址**必须是`8`字节的整数倍，也就是对象的大小必须是`8`字节的**整数倍**。而**对象头部分**正好是`8`字节的倍数（`32`位为`1`倍，`64`位为`2`倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐的时候，就需要通过**对齐填充**来补全。

## (三). 对象的访问定位 ##

`Java`程序需要通过 `JVM` 栈上的引用访问堆中的具体对象。对象的访问方式取决于 `JVM` 虚拟机的实现。目前主流的访问方式有 **句柄** 和 **直接指针** 两种方式。

> **指针：** 指向对象，代表一个对象在内存中的起始地址。  
> **句柄：** 可以理解为指向指针的指针，维护着对象的指针。句柄不直接指向对象，而是指向对象的指针（句柄不发生变化，指向固定内存地址），再由对象的指针指向对象的真实内存地址。

### 1. 句柄 ###

`Java`堆中划分出一块内存来作为**句柄池**，引用中存储对象的**句柄地址**，而句柄中包含了**对象实例数据**与**对象类型数据**各自的**具体地址**信息，具体构造如下图所示：

![jvm_handle.png][]

**优势**：引用中存储的是**稳定**的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变**句柄中**的**实例数据指针**，而**引用**本身不需要修改。

### 2. 直接指针 ###

如果使用**直接指针**访问，**引用** 中存储的直接就是**对象地址**，那么`Java`堆对象内部的布局中就必须考虑如何放置访问**类型数据**的相关信息。

![jvm_point.png][]

**优势**：速度更**快**，节省了**一次指针定位**的时间开销。由于对象的访问在`Java`中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是非常可观的执行成本。

# 参考 #

周志明，深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践，机械工业出版社

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