JVM对内存区域的划分和对象创建

水深无声 2023-03-03 06:29 5阅读 0赞

JVM的重要性不言而喻，所以，撸起袖子加油干，学习周志明的《深入理解Java虚拟机...》第三版这本书，做相应的记录。

Sun 被Oracle公司收购以后，JDK将会在每年的 3月和 9月各发布一个大版本，每六个JDK大版本中才会被划出一个长期支持LTS(Long Term Support) 版，    只有LTS版的JDK能够获得为期三年的支持和更新，普通版的JDK就只有短短六个月的生命周期。  JDK 8和JDK 11是LTS版，再下一个就到2021年发布的JDK 17了。

**随着JDK 11发布，Oracle同时调整了JDK的授权许可证，里面包含了好几个动作：**

Oracle从JDK 11起把以前的商业特性全部开源给OpenJDK,这样OpenJDK 11和OracleJDK 11的代码和功能，在本质上就是完全相同的(官方原文是Essentially ldentical)。

Oracle宣布以后将会同时发行两个JDK：一个是以GPLv2+CE协议下由Oracle发行的OpenJDK，另一个是在新的OTN(Oracle 技术网开发者许可条款)协议下发行的传统的OracleJDK，这两个JDK共享绝大部分源码，在功能上是几乎一样的，核心差异是前者可以免费在开发、测试或生产环境中使用，但是只有半年时间的更新支持；后者个人依然可以免费使用，但若在生产环境中商用就必须付费，可以有三年时间的更新支持。如果说由此能得出"Java要收费”的结论，那是纯属标题党，最多只能说Oracle在迫使商业用户要么不断升级JDK的版本，要么就去购买商业支持。

### 一、JVM的认识 ###

Java是纯面向对象编程的语言，其中跨平台特性，一直是Java宣传的主打牌之一。一次编译，到处运行（Write Once，Run Anywhere），就是Java虚拟机的功劳。在Java发展的20多年来，Java虚拟机并不是只有一个或几个，而是曾经涌现出许多各种各样的Java虚拟机，有的默默消亡，有的经久不衰。

**1、这里简单认识下使用最广泛的Java虚拟机：HotSpot VM**

得益于Sun/OracleJDK在Java应用中的统治地位，HotSpot理所当然地成为全世界使用最广泛的Java虚拟机，是虚拟机家族中毫无争议的”武林盟主”。

1）能让编译器与解释器恰当地协同工作，可以在最优化的程序响应时间与最佳执行性能中取得平衡！

HotSpot VM最初是通过解释器（Interpreter）进行解释执行的Java代码，当发现某个方法的运行特别频繁时，就会把这些代码认定为**“热点代码”**。为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机将会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各种层次的优化，后面对这部分代码就不是解释执行了，执行性能当然就提高了！HotSpot VM里把完成这个任务的编译器称为即时编译器（Just In Time Compiler，JIT编译器）。

2）开源

2006年，Sun陆续将SunJDK的各个部分在GPLv2协议下开放了源码，形成了Open-JDK项目，其中当然也包括HotSpot虚拟机。HotSpot从此成为Sun/OracleJDK和OpenJDK两个实现极度接近的JDK项目的共同虚拟机。

Oracle收购Sun以后， 建立了HotRockit项目来把原来BEA JRockit中的优秀特性融合到HotSpot之中。到了2014年的JDK 8，里面的HotSpot就已是两者融合的结果，HotSpot在这个过程里移除掉永久代，吸收了JRockit的Java Mission Control监控工具等功能。

**2、JVM概述**

JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写，JVM是一种用于计算设备的规范，它是一个虚构出来的计算机，是通过在实际的计算机上仿真模拟各种计算机功能来实现的。

Java虚拟机有自己完善的硬件架构，如处理器、堆栈等，还具有相应的指令系统。

Java虚拟机本质上就是一个程序，当它在命令行上启动的时候，就开始执行保存在某字节码文件中的指令。Java语言的可移植性正是建立在Java虚拟机的基础上。任何平台只要装有针对于该平台的Java虚拟机，字节码文件（.class）就可以在该平台上运行。这就是**“一次编译，多次运行（Write Once，Run Anywhere）”**。

Java虚拟机不仅是一种跨平台的软件，而且是一种新的网络计算平台。该平台包括许多相关的技术，如符合开放接口标准的各种API、优化技术等。

### 二、Java内存区域的划分 ###

**Java运行时内存区域的划分**

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域有各自的用途，以及创建和销毁的时间，有的区域随着虚拟机进程的启动而一直存在，有些区域则是依赖用户进程的启动和结束而建立和销毁。根据《Java虚拟机规范》的规定，Java虚拟机所管理的内存将会包括以下几个运行时数据区域：

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**1、程序计数器（线程私有）**

程序计数器（Program Counter Register）是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。在Java虚拟机的概念模型里，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，它是程序控制流的指示器，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。**各条线程之间计数器互不影响，独立存储。**

程序计数器在JVM中占用的空间很少，但作用很大。此内存区域是唯一一个在《Java虚拟机规范》中没有规定任何有任何OutOfMemoryError情况的区域。

**2、Java虚拟机栈（线程私有）**

与程序计数器一样，Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stack）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。

虚拟机栈描述的是Java方法执行的线程内存模型：每个方法被执行的时候，Java虚拟机都会同步创建一个**栈帧（Stack Frame）**。栈帧是用于存储局部变量表、操作数栈、动态连接、方法出口等信息是一个数据结构。每一个方法被调用直至执行完毕的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。

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经常我们把Java虚拟机区域笼统的划分为堆内存（Heap）和栈内存（Stack），比如String s = new String("内容在堆里，s变量在栈里");  这里“栈”通常指虚拟机栈，实质上更具体来讲，s是存放在执行s所在方法的某条具体的线程对应的JVM栈里的某个栈帧里的局部变量表里。

**局部变量表**存放了编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型、对象引用和returnAddress类型

1.编译期可知的各种Java虚拟机基本数据类型(boolean、byte、 char、 short、 int、 float、 long、 double) 。

2.对象引用：reference类型，它并不等同于对象本身，可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能是指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置。也可以理解为是一个地址。

3.returnAddress类型 ：指向了一条字节码指令的地址。

这些数据类型在局部变量表中的存储空间是用一个叫做**局部变量槽（Slot）**来表示的。其中64位长度的long和double类型的数据会占用两个变量槽，其余的数据类型只占用一个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，当进入一个方法时，这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

注意：这里说的”大小” 是指变量槽的数量，虚拟机真正使用多大的内存空间，譬如按照1个变量槽占用32个比特、64个比特，或者更多，是完全由具体的虚拟机实现自行决定的事情。

在《Java虚拟机规范》中，对Java虚拟机栈的内存区域规定了两类异常状况:

1.如果线程请求的栈深度大于虚拟机所允许的深度，将抛出StackOverflowError异常;

2.如果Java虚拟机栈容量可以动态扩展，当栈扩展时无法申请到足够的内存会抛出OutOfMemoryError异常。

注意：HotSpot虚拟机的栈容量是不可以动态扩展的，以前的Classic虚拟机倒是可以。所以在HotSpot虚拟机上是不会由于虚拟机栈无法扩展而导致OutOfMemoryError异常。只要线程申请栈空间成功了就不会有OOM，但是如果申请时就失败，依然会出现OOM异常。

**3、本地方法栈（线程私有）**

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，

其区别只是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的本地(Native)方法服务。如果一个VM实现使用C-linkage模型来支持native调用，那么该栈将会是一个C栈。与虚拟机栈一样，本地方法栈也会在栈深度溢出和栈容量扩展失败时分别抛出StackOverflowError和OutOfMemoryError异常。

《Java虚拟机规范》对本地方法栈中方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有任何强制规定，因此具体的虚拟机可以根据需要自实现它，甚至有的Java虚拟机**（譬如HotSpot虚拟机） 直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一**。

注意：HotSpot虚拟机是没本地方法栈，**-Xoss参数**是设置本地方法栈大小存在。所以在HotSpot虚拟机配置它是没有的，栈的容量大小只有**-Xss 参数**设置。

**4、Java堆（线程共享）**

对于Java应用程序来说，Java堆（Java Heap）是虛拟机所管理的内存中最大的一块。Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的**唯一目的就是存放对象实例**， Java世界里“几乎”所有的对象实例都在这里分配内存。在《Java虚拟机规范》中对Java堆的描述是:”所有的对象实例以及数组都应当在堆上分配”。

**Java堆是垃圾收集器管理的内存区域**，因此一些资料中它也被称作“**GC堆**”（Garbage Collected Heap）。

从回收内存的角度看，由于现代垃圾收集器大部分都是基于分代收集理论设计的，所以Java堆中经常会被进一步划分成”新生代””老年代””永久代”“Eden空间””From Survivor空间”"To Survivor空间”等名词，

强调一下的是：这些堆区域的进一步划分的叫法，仅仅是一部分垃圾收集器的共同特性或者说设计风格而已，而非某个Java虚拟机具体实现的固有内存布局，更不是《Java虚拟机规范》里对Java堆的进一步细致划分。

2009年G1收集器的出现为分界，作为业界绝对主流的HotSpot虚拟机，它内部的垃圾收集器全部都基于”经典分代”来设计， 需要新生代、老年代收集器搭配才能工作，在这种背景下，这种说法还算是不会产生太大歧义。但是到了今天，HotSpot里面也出现了不采用分代设计的新垃圾收集器，再按照上面的提法就有很多需要商榷的地方了。

**Java堆既可以被实现成固定大小的，也可以是可扩展的**，不过当前主流的Java虚拟机都是按照可扩展来实现的（通过参数-**Xmx和-Xms**设定其空间的大小）。如果在Java堆中没有内存去给对象实例分配，并且堆也无法再扩展时，Java虚拟机将会抛出OutOfMemoryError异常。

**5、方法区（线程共享）**

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，虽然《Java虚拟机规范》中把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫作**“非堆”(Non-Heap)**，目的是与Java堆区分开来。

方法区用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等数据。

说到方法区，不得不提一下”永久代”这个概念，尤其是在JDK 8以前，许多Java程序员都习惯在HotSpot虚拟机上开发、部署程序，很多人都更愿意把方法区称呼为”永久代”(PermanentGeneration)，或将两者混为一谈。

原因是当时的HotSpot虚拟机设计团队选择把垃圾收集器的分代设计扩展至方法区，或者说使用永久代来实现方法区，这样使得HotSpot的垃圾收集器能够像管理Java堆一样管理这部分内存，省去专门为方法区编写内存管理代码的工作。但是对于其他虚拟机实现，譬如JRockit、J9来说，是不存在永久代的概念的。本质上这两者并不是等价的。原则上如何实现方法区属于虚拟机实现细节，不受《Java虚拟机规范》约束，并不要求统一。

现在来看HotSpot虚拟机，当年使用永久代来实现方法区的决定并不是一个好主意,，因为：

1.这种设计导致了Java应用更容易遇到内存溢出的问题和性能问题。

2.类及方法的信息等比较难预估其大小，永久代要求配置参数-XX: MaxPermSize，即使不设置也有默认大小

因此对于永久代的大小指定比较困难，太小容易出现永久代溢出，太大则容易导致老年代溢出。

3.永久代会为 GC 带来不必要的复杂度，并且回收效率偏低。

**JDK6，JDK7，JDK8三个阶段关于“永久代”、“方法区”、“元空间”的关系变化过程梳理一下：**

JDK1.7中，符号引用（Symbols）转移到了native heap；字符串常量池（interned strings）和类的静态变量（class statics）转移到了java heap。

JDK1.8中，把JDK1.7中剩余的内容（主要是类和类加载器元数据信息）全部移到元空间中。元空间是操作系统中的内存划分出的一个区域。

到了JDK8，完全废弃了永久代的概念，改用与JRockit、J9一样在本地内存中实现的**元空间（Meta-space）**来代替了。这样就没有参数**-XX: MaxPermSize**的大小限制，减少了OOM的机会。当然也不是无限大，受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件）大小以及处理器寻址空间的限制。

根据《Java虚拟机规范》的规定，如果方法区无法满足新的内存分配需求时，将会抛出OutOfMemoryError异常。

### 三、常量池 ###

** 1、常量**

用**final修饰**的成员变量表示常量，值一旦给定就无法改变！

final修饰的变量有三种：静态变量、实例变量和局部变量，分别表示三种类型的常量。

**2、常量池主要可以分为以下几种：**

Java中的常量池可以分为两种形态：静态常量池和运行时常量池。也可以更细致的划分：

**（1）静态常量池**：即 \*.class文件中的常量池，class文件中的常量不仅仅包含字符串/数字这些字面量，还包含类、方法的信息，占用class文件绝大部分空间。这种常量池主要用于存放两大类常量：字面量和符号引用量。

> 字面量：相当于Java语言层面常量的概念，如文本字符串，声明为final的常量值等；
> 
> 符号引用：则属于编译原理方面的概念，包括了如下三种类型的常量：
> 
>       类和接口的全限定名
> 
>       字段名称描述符
> 
>       方法名称描述符

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

**（2）运行时常量池**：

Java虚拟机在完成类加载操作后，将class文件中的常量池载入到运行时常量池中（内存中），并保存在方法区中，我们常说的常量池，就是指方法区中的运行时常量池。

运行时常量池可以在运行期间将符号引用解析为直接引用，即把那些描述符（名字）替换为能直接定位到字段、方法的引用或句柄（地址）。

**（3）字符串常量池 ：**字符串常量池可以理解为运行时常量池分出来的部分。类加载时，对于Class的静态常量池，如果字符串会被装到字符串常量池中。

字符串池是 JVM 层面的技术。

在 JDK 1.6 以及以前的版本中，字符串池是放在 Perm 区(Permanent Generation，永久代)。

在 JDK 1.7 的版本中，字符串常量池移到Java Heap。

在 JDK 1.8 的版本中在永久代移除后，字符串常量池和运行时常量池也没有放到新的方法区（元空间里），而是留在了Java堆里。元空间里只存储类和类加载器的元数据信息了。

**（4）还有一类常量池，实质叫包装类的对象池(也有称常量池)**，但是它们和JVM的静态/运行时常量池没有任何关系。

比如：我们应该听说过整型常量池，这类包装类的对象池也是池化技术的应用，但是，并非是虚拟机层面的东西，而是 Java 在类封装里实现的。

> 有IntegerCache 用于换成Integer对象
> 
> 有ByteCache用于缓存Byte对象
> 
> 有ShortCache用于缓存Short对象
> 
> 有LongCache用于缓存Long对象
> 
> 有CharacterCache用于缓存Character对象
> 
> Byte, Short, Long有固定范围: -128 到 127。对于Character, 范围是 0 到 127。除了Integer以外，这个范围都不能改变。

**3、运行时常量池**

运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分，Class文件中除了有类的版本，字段，方法，接口，等描述等信息外，还有一项信息是常量池，用于存放编译器生成的各种字面量和符号的引用，这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中.

Java虛拟机对于Class文件每一部分的格式都有严格规定，比如每一个字节用于存储哪种数据都必须符合规范上的要求才会被虚拟机认可、加载和执行，但对于运行时常量池，《Java虚拟机规范》并没有做任何细节的要求，不同提供商实现的虚拟机可以按照自己的需要来实现这个内存区域。

运行时常量池相对于CLass文件常量池的另外一个重要特征是**具备动态性**，Java语言并不要求常量一定只有编译期才能产生，也就是并非预置入CLass文件中常量池的内容才能进入方法区运行时常量池，运行期间也可能将新的常量放入池中，这种特性被开发人员利用比较多的就是String类的intern()方法。

**String类的intern()方法：**当调用 intern 方法时，如果常量池已经包含一个等于此 String 对象的字符串（用 equals(Object) 方法确定），则返回池中的字符串。否则，将此 String 对象添加到常量池中，并返回此 String 对象的引用。

既然运行时常量池是方法区的一部分，自然受到方法区内存的限制，当常量池无法再申请到内存时会抛出OutOfMemoryError异常。

两者的区别：静态常量池只是一个静态文件结构，运行时常量池是方法区的一部分，是一块内存区域。

**4、常量池的好处**

常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。

例如字符串常量池，在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

（1）节省内存空间：常量池中所有相同的字符串常量被合并，只占用一个空间。

（2）节省运行时间：比较字符串时，==比equals()快。对于两个引用变量，只用==判断引用是否相等，也就可以判断实际值是否相等。

### 四、直接内存 ###

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以有必要了解下。

在JDK 1.4中新加入了NIO类，引入了一种基于通道(Channel) 与缓冲区(Buffer) 的I/0方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。显然，本机直接内存的分配不会受到Java堆大小的限制，但是，既然是内存，则肯定还是会受到本机总内存（包括物理内存、SWAP分区或者分页文件)大小以及处理器寻址空间的限制，

一般服务器管理员配置虚拟机参数时，会根据实际内存去设置方法区、堆区等大小的参数信息，但经常忽略掉直接内存，使得各个内存区域总和大于物理内存限制(包括物理的和操作系统级的限制），从而导致动态扩展时出现**OutOfMemoryError异常。**

所以，配置虚拟机参数时，要考虑到预留部分直接内存出来。如果项目中使用到NIO比较多，就适当多留一点。

### 五、HotSpot虚拟机中的对象 ###

了解完Java虚拟机的运行时数据区域之后，我们大致明白了Java虚拟机内存模型的概况，更进一步了解这些虚拟机内存中数据的其他细节，譬如它们是如何创建、如何布局以及如何访问的。我们以最常用的虚拟机 HotSpot 和最常用的内存区域 Java堆为例，深入探讨一下HotSpot虚拟机在Java堆中对象创建、布局和访问的全过程。

**1、对象创建**

在Java中，我们创建一个普通对象，很容易，比如：new Person(); 在虚拟机中，普通的Java对象是如何创建？

**1）检查并分配内存空间**

当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将去**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**，并且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。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程，后面有探讨这部分细节的部分。

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为**新生对象分配内存**。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。分配方式有两种：

> 假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为**”指针碰撞”(Bump The Pointer)** 。
> 
> 但如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为**"空闲列表”(Free List)**。

选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理(Compact)的能力决定。因此，当使用Serial、 ParNew等带压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效；而当使用CMS这种基于清除(Sweep) 算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

**划分可用空间的时候，还需要考虑线程安全问题：**

对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种可选方案:

> 一种是对分配内存空间的动作进行同步处理一实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性;
> 
> 另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为**本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)**，哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过**-XX: +/-UseTLAB参数**来设定。

**2）对象的初始化**

内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的**数据类型所对应的零值**。

接下来，Java虚拟机对对象进行必要的设置，例如，初始化对象的对象头(Object Header)把对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息放到对象头里。根据虚拟机当前运行状态的不同，对象头的设置方式也会不同。

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视角看来，对象创建才刚刚开始--构造函数，即Class文件中的**<init>()方法**还没有执行，执行构造函数。

一般来说，**new指令之后会接着执行<init>()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化**，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

**2、对象的内存布局**

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储可以划分为三个部分：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

**1）对象头(Header)**

HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两部分信息。

第一，是用于**存储对象自身的运行时数据**，如哈希码(HashCode) 、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32个比特和64个比特，官方称它为"**Mark Word**"。

对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的最大限度，但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。

例如在32位的HotSpot虚拟机中，如对象未被同步锁锁定的状态下，Mark Word的32个比特存储空间中的25个比特用于存储对象哈希码，4个比特用于存储对象分代年龄，2个比特用于存储锁标志位，1个比特固定为0，在其他状态下对象的存储内容如表所示：

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第二，是**类型指针**即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。

此外，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，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。

**2）实例数据(Instance Data)**

实例数据部分是**对象真正存储的有效信息**，即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字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(-XX: FieldsAllocationStyle) 和字段在Java源码中定义顺序的影响。

HotSpot虚拟机默认的分配顺序为：longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops (OrdinaryObject Pointers, OOPs) ，从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，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HotSpot虛拟机的**+XX: CompactFields参数**值为true (默认就为true)，那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。

**3）对齐填充(Padding)**

对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot虛拟机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**任何对象的大小都必须是8字节的整数倍**。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数(1倍或者2倍)，因此，如果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。

**3、对象的访问定位**

创建对象自然是为了后续使用该对象，我们的Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。

由于reference类型在《Java虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

**1）句柄**

如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址， 而包柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息。其结构如下

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

**2）直接指针**

如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销，其结构如下

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本，主流虚拟机HotSpot主要使用第二种方式进行对象访问，也有例外情况，但从整个软件开发的范围来看，在各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。

参考文章：

[深入浅出java常量池][java]

[位图BITMAP结构][BITMAP]

—— Stay Hungry. Stay Foolish. 求知若饥，虚心若愚。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyNDAyODU0_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230208/395bc649e9f64540b33083fc6ccc4d23.png
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[java]: https://www.cnblogs.com/syp172654682/p/8082625.html
[BITMAP]: https://blog.csdn.net/minedayu/article/details/12234303