Carson带你学JVM：Java对象的创建、内存布局 & 访问定位全过程解析

本是古典何须时尚 2023-06-04 12:58 2阅读 0赞

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# 前言 #

*  了解 `Java` 对象从被创建、存储 & 怎么被使用的整个过程十分重要
 *  对应过程则是：对象创建、对象内存布局、对象访问定位的三个过程。
 *  在本文将 ，我对 `Java` 对象创建、对象内存布局、对象访问定位的三个过程 进行了详细介绍，希望你们会喜欢

> Carson带你学JVM系列文章，具体如下：  
> [Carson带你学JVM：这是一份全面 & 详细的JVM学习指南][Carson_JVM_ _ _JVM]  
> [Carson带你学JVM：图文解析Java虚拟机内存结构][Carson_JVM_Java]  
> [Carson带你学JVM：Java对象的创建、内存布局 & 访问定位全过程解析][Carson_JVM_Java_ _]  
> [Carson带你学JVM：Java对象如何判断存活原则-引用计数法 & 引用链法][Carson_JVM_Java_-_ _]  
> [Carson带你学JVM：这是一份全面 & 详细的垃圾收集算法（GC）讲解攻略][Carson_JVM_ _ _GC]  
> [Carson带你学JVM：常见的垃圾收集器学习指南][Carson_JVM]  
> [Carson带你学JVM：类加载的全过程解析][Carson_JVM 1]  
> [Carson带你学JVM：你真的了解类加载器吗？（含双亲委派模型）][Carson_JVM 2]  
> [Carson带你学JVM：方法分派模型-静态分派、动态分派][Carson_JVM_-]

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# 目录 #

![示意图][format_png]

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# 1. 对象创建 #

*  在开发使用时，创建 `Java` 对象仅仅只是是通过关键字`new`：

A a = new A()；

*  可是 `Java`对象在虚拟机中创建则是相对复杂。今天，我将详解`Java`对象在虚拟机中的创建过程

> 限于普通对象，不包括数组和Class对象等

### 1.1 创建过程 ###

当遇到关键字`new`指令时，Java对象创建过程便开始，整个过程如下：

![Java对象创建过程][Java]

下面我将对每个步骤进行讲解。

### 1.2 过程步骤 ###

## 步骤1：类加载检查 ##

1.  检查 该`new`指令的参数 是否能在 常量池中 定位到一个类的符号引用
2.  检查 该类符号引用 代表的类是否已被加载、解析和初始化过

> 如果没有，需要先执行相应的类加载过程

关于类加载请看文章：[JVM）Java虚拟机：类加载的5个过程][JVM_Java_5]

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## 步骤2：为对象分配内存 ##

*  虚拟机将为对象分配内存，即把一块确定大小的内存从 `Java` 堆中划分出来

> 对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定

*  关于分配内存，此处主要讲解内存分配方式
 *  内存分配 根据 **Java堆内存是否绝对规整** 分为两种方式：指针碰撞 & 空闲列表

> 1.  `Java`堆内存 规整：已使用的内存在一边，未使用内存在另一边
> 2.  `Java`堆内存 不规整：已使用的内存和未使用内存相互交错

![示意图][format_png 1]

#### 方式1：指针碰撞 ####

*  假设Java堆内存绝对规整，内存分配将采用指针碰撞
 *  分配形式：已使用内存在一边，未使用内存在另一边，中间放一个作为分界点的指示器

![正常状态][format_png 2]

*  那么，分配对象内存 = 把指针向 未使用内存 移动一段 与对象大小相等的距离

![分配内存空间][format_png 3]

#### 方式2：空闲列表 ####

*  假设Java堆内存不规整，内存分配将采用 空闲列表
 *  分配形式：虚拟机维护着一个 记录可用内存块 的列表，在分配时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

#### 额外知识 ####

*  分配方式的选择 取决于 `Java`堆内存是否规整；
 *  而 `Java`堆是否规整 由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此：
    
    1.  使用带 `Compact` 过程的垃圾收集器时，采用指针碰撞；

> 如`Serial、ParNew`垃圾收集器

1.  使用基于 `Mark_sweep`算法的垃圾收集器时，采用空闲列表。

> 如 `CMS`垃圾收集器

#### 特别注意 ####

*  对象创建在虚拟机中是非常频繁的操作，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也会引起线程不安全

> 如，正在给对象A分配内存，指针还没有来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存

**所以，给对象分配内存会存在线程不安全的问题。**

解决 线程不安全 有两种方案：

1.  同步处理分配内存空间的行为

> 虚拟机采用 **`CAS` \+ 失败重试的方式** 保证更新操作的原子性

1.  把内存分配行为 按照线程 划分在不同的内存空间进行

> 1.  即每个线程在 `Java`堆中预先分配一小块内存（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`TLAB上`分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时才需要同步锁。
> 2.  虚拟机是否使用`TLAB`，可以通过`-XX:+/-UseTLAB`参数来设定。

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### 步骤3： 将内存空间初始化为零值 ###

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间初始化为零（不包括对象头）

> 1.  保证了对象的实例字段在使用时可不赋初始值就直接使用（对应值 = 0）
> 2.  如使用本地线程分配缓冲（TLAB），这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。

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### 步骤4： 对对象进行必要的设置 ###

> 如，设置 这个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。

**这些信息存放在对象的对象头中**。

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*  至此，从 `Java` 虚拟机的角度来看，一个新的 `Java`对象创建完毕
 *  但从 `Java` 程序开发来说，对象创建才刚开始，需要进行一些初始化操作。

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# 1.3 总结 #

下面用一张图总结 `Java`对象创建的过程

![示意图][format_png 4]

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# 2. 对象的内存布局 #

*  问题：在 `Java` 对象创建后，到底是如何被存储在Java内存里的呢？
 *  答：在`Java`虚拟机（`HotSpot`）中，对象在 `Java` 内存中的 存储布局 可分为三块：
    
    1.  对象头 存储区域
    2.  实例数据 存储区域
    3.  对齐填充 存储区域

![内存布局][format_png 5]

下面我会详细说明每一块区域。

## 2.1 对象头 区域 ##

此处存储的信息包括两部分：

*  对象自身的运行时数据（`Mark Word`）

> 1.  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
> 2.  该部分数据被设计成1个 非固定的数据结构 以便在极小的空间存储尽量多的信息（会根据对象状态复用存储空间）

*  对象类型指针

> 1.  即对象指向它的类元数据的指针
> 2.  虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例

#### 特别注意 ####

如果对象 是 数组，那么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对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

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## 2.2 实例数据 区域 ##

*  存储的信息：对象真正有效的信息

> 即代码中定义的字段内容

*  注：这部分数据的存储顺序会受到虚拟机分配参数（FieldAllocationStyle）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如下：
    longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oop(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
    // 在满足这个前提的条件下，父类中定义的变量会出现在子类之前
    
    CompactFields = true；
    // 如果 CompactFields 参数值为true，那么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。

## 2.3 对齐填充 区域 ##

*  存储的信息：占位符

> 占位作用

*  因为对象的大小必须是8字节的整数倍
 *  而因HotSpot VM的要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，且对象头部分正好是8字节的倍数。
 *  因此，当对象实例数据部分没有对齐时（即对象的大小不是8字节的整数倍），就需要通过对齐填充来补全。

### 2.4 总结 ###

![示意图][format_png 6]

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# 3. 对象的访问定位 #

*  问：建立对象后，该如何访问对象呢？

> 实际上需访问的是 对象类型数据 & 对象实例数据

*  答：`Java`程序 通过 栈上的引用类型数据（`reference`） 来访问`Java`堆上的对象

由于引用类型数据（`reference`）在 `Java`虚拟机中只规定了一个指向对象的引用，但没定义该引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置

所以对象访问方式取决于虚拟机实现。目前主流的对象访问方式有两种：

*  句柄 访问
 *  直接指针 访问

具体请看如下介绍：

![示意图][format_png 7]

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# 4. 总结 #

*  本文我对 `Java` 对象创建、对象内存布局、对象访问定位的三个过程 进行了详细介绍
 *  Carson带你学JVM系列文章，具体如下：
 *  [Carson带你学JVM：这是一份全面 & 详细的JVM学习指南][Carson_JVM_ _ _JVM]  
    [Carson带你学JVM：图文解析Java虚拟机内存结构][Carson_JVM_Java]  
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