对象探秘

上一篇我们知道了虚拟机的内存模型，这篇我们一起看看一个对象是怎么被创建出来的，对象自身的内存布局又是怎么样的，当对象被创建出来后，它又该如何被引用到呢？

对象的创建

• 当Java虚拟机执行字节码遇到new指令

• 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，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，会先执行类加载过程

• 当检查通过后，虚拟机会为新生对象分配内存，对象所需内存大小在类加载完成后，便可完全确定了，为对象分配空间的任务实际上等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来

  • 假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用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等带有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，既简单又搞笑，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

  • 除了如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题，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，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；另外一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间进行，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分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓冲区时，才需要同步锁定

• 当内存分配完成后，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虚拟机还要对对象进行必要的设置，例如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（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才计算）、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）中，根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式

• 在上面工作都完成后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但是从Java程序的视角来看，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，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构建好。一般来说（由字节码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定，Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成这两条字节码指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此），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

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局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）

对象头部分包括两类信息：

Mark Word

第一类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（未开启压缩指针）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

• 初期锁对象刚创建时，还没有任何线程来竞争，对象的Mark Word是上图的第一种情形，这偏向锁标识位是0，锁状态01，说明该对象处于无锁状态（无线程竞争它）

• 当有一个线程来竞争锁时，先用偏向锁，表示锁对象偏爱这个线程，这个线程要执行这个锁关联的任何代码，不需要再做任何检查和切换，这种竞争不激烈的情况下，效率非常高。这时Mark Word会记录自己偏爱的线程的ID，把该线程当做自己的熟人。如上图第二种情形

• 当有两个线程开始竞争这个锁对象，情况发生变化了，不再是偏向（独占）锁了，锁会升级为轻量级锁，两个线程公平竞争，哪个线程先占有锁对象并执行代码，锁对象的Mark Word就执行哪个线程的栈帧中的锁记录。如上图第三种情形

• 如果竞争的这个锁对象的线程更多，导致了更多的切换和等待，JVM会把该锁对象的锁升级为重量级锁，这个就叫做同步锁，这个锁对象Mark Word再次发生变化，会指向一个监视器对象，这个监视器对象用集合的形式，来登记和管理排队的线程。如上图第四种情形

• 当这个对象被GC标记为可收集时，如上图第五种情形

类型指针

对象头的另外一部分是类型指针，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这个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

实例数据（Instance Data）

接下来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（Ordinary Object 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

对齐填充（Padding）

对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅是起着占位符的作用，由于HotSpot虚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

内存对齐的其中一个原因，是让字段只出现在同一 CPU 的缓存行中，来提升效率。有内存对齐就会有内存浪费的情况，所以为了减少内存浪费，并达到内存对齐的目的，JVM就会将字段重新排列

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：

• 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，而句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，如上图图1
• 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，如上图图2

这两种对象访问方式各有优劣，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，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reference本身不需要被修改

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，就HotSpot而言，它主要使用第二种方式进行对象访问（有例外情况，如果使用了Shenandoah收集器的话也会有一次额外的转发），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

总结

• 在Java堆的新生代中，由于使用标记-复制算法来清理朝生夕死的对象简单高效，所以内存会被分为规整的两份，也就是后面会说到的2块Survivor区，所以使用指针碰撞的方式来做内存分配是非常合适的，而在老年代中，由于使用标记-整理算法来清理熬过多次垃圾收集并存活很久的对象，内存并不规整，所以就需要使用空闲列表的方式来分配了
• 完