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深入理解JVM之Java對(duì)象的創(chuàng)建、內(nèi)存布局、訪問定位詳解

更新時(shí)間：2019年09月15日 11:10:31 作者：smile4lee

這篇文章主要介紹了深入理解JVM之Java對(duì)象的創(chuàng)建、內(nèi)存布局、訪問定位,結(jié)合實(shí)例形式詳細(xì)分析了Java對(duì)象的創(chuàng)建、內(nèi)存布局、訪問定位相關(guān)概念、原理、操作技巧與注意事項(xiàng),需要的朋友可以參考下

本文實(shí)例講述了深入理解JVM之Java對(duì)象的創(chuàng)建、內(nèi)存布局、訪問定位.分享給大家供大家參考，具體如下：

對(duì)象的創(chuàng)建

一個(gè)簡單的創(chuàng)建對(duì)象語句Clazz instance = new Clazz();包含的主要過程包括了類加載檢查、對(duì)象分配內(nèi)存、并發(fā)處理、內(nèi)存空間初始化、對(duì)象設(shè)置、執(zhí)行ini方法等。

主要流程如下：

java對(duì)象創(chuàng)建流程

1. 類加載檢查

JVM遇到一條new指令時(shí)，首先檢查這個(gè)指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到一個(gè)類的符號(hào)引用，并且檢查這個(gè)符號(hào)引用代表的類是否已被加載、解析和初始化過。如果沒有，那必須先執(zhí)行相應(yīng)的類的加載過程。

2. 對(duì)象分配內(nèi)存

對(duì)象所需內(nèi)存的大小在類加載完成后便完全確定（對(duì)象內(nèi)存布局），為對(duì)象分配空間的任務(wù)等同于把一塊確定大小的內(nèi)存從Java堆中劃分出來。

根據(jù)Java堆中是否規(guī)整有兩種內(nèi)存的分配方式：（Java堆是否規(guī)整由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定）

指針碰撞(Bump the pointer)
Java堆中的內(nèi)存是規(guī)整的，所有用過的內(nèi)存都放在一邊，空閑的內(nèi)存放在另一邊，中間放著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器，分配內(nèi)存也就是把指針向空閑空間那邊移動(dòng)一段與內(nèi)存大小相等的距離。例如：Serial、ParNew等收集器。
空閑列表(Free List)
Java堆中的內(nèi)存不是規(guī)整的，已使用的內(nèi)存和空閑的內(nèi)存相互交錯(cuò)，就沒有辦法簡單的進(jìn)行指針碰撞了。虛擬機(jī)必須維護(hù)一張列表，記錄哪些內(nèi)存塊是可用的，在分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對(duì)象實(shí)例，并更新列表上的記錄。例如：CMS這種基于Mark-Sweep算法的收集器。

3. 并發(fā)處理

對(duì)象創(chuàng)建在虛擬機(jī)中時(shí)非常頻繁的行為，即使是僅僅修改一個(gè)指針指向的位置，在并發(fā)情況下也并不是線程安全的，可能出現(xiàn)正在給對(duì)象A分配內(nèi)存，指針還沒來得及修改，對(duì)象B又同時(shí)使用了原來的指針來分配內(nèi)存的情況。

同步
虛擬機(jī)采用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性
本地線程分配緩沖（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）
把內(nèi)存分配的動(dòng)作按照線程劃分為在不同的空間之中進(jìn)行，即每個(gè)線程在Java堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存（TLAB）。哪個(gè)線程要分配內(nèi)存，就在哪個(gè)線程的TLAB上分配。只有TLAB用完并分配新的TLAB時(shí)，才需要同步鎖定。

4. 內(nèi)存空間初始化

虛擬機(jī)將分配到的內(nèi)存空間都初始化為零值（不包括對(duì)象頭）,如果使用了TLAB，這一工作過程也可以提前至TLAB分配時(shí)進(jìn)行。

內(nèi)存空間初始化保證了對(duì)象的實(shí)例字段在Java代碼中可以不賦初始值就直接使用，程序能訪問到這些字段的數(shù)據(jù)類型所對(duì)應(yīng)的零值。

注意：類的成員變量可以不顯示地初始化（Java虛擬機(jī)都會(huì)先自動(dòng)給它初始化為默認(rèn)值）。方法中的局部變量如果只負(fù)責(zé)接收一個(gè)表達(dá)式的值，可以不初始化，但是參與運(yùn)算和直接輸出等其它情況的局部變量需要初始化。

5. 對(duì)象設(shè)置

虛擬機(jī)對(duì)對(duì)象進(jìn)行必要的設(shè)置，例如這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息、對(duì)象的哈希碼、對(duì)象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對(duì)象的對(duì)象頭之中。

6. 執(zhí)行init()

在上面的工作都完成之后，從虛擬機(jī)的角度看，一個(gè)新的對(duì)象已經(jīng)產(chǎn)生了。但是從Java程序的角度看，對(duì)象的創(chuàng)建才剛剛開始init()方法還沒有執(zhí)行，所有的字段都還是零。

所以，一般來說（由字節(jié)碼中是否跟隨invokespecial指令所決定），執(zhí)行new指令之后會(huì)接著執(zhí)行init()方法，把對(duì)象按照程序員的意愿進(jìn)行初始化，這樣一個(gè)真正可用的對(duì)象才算產(chǎn)生出來。

對(duì)象內(nèi)存布局

在HotSpot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可以分為3塊區(qū)域：對(duì)象頭(Header)、實(shí)例數(shù)據(jù)(Instance Data)和對(duì)齊填充(Padding)。

對(duì)象頭

HotSpot虛擬機(jī)的對(duì)象頭包括兩部分信息：運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)和類型指針。

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)

用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等。

對(duì)象頭

類型指針

即對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過這個(gè)指針來確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例。

如果對(duì)象是一個(gè)Java數(shù)組，那在對(duì)象頭中還必須有一塊用于記錄數(shù)組長度的數(shù)據(jù)，因?yàn)樘摂M機(jī)可以通過普通Java對(duì)象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對(duì)象的大小，但是從數(shù)組的元數(shù)據(jù)中無法確定數(shù)組的大小。
(并不是所有的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)都必須在對(duì)象數(shù)據(jù)上保留類型指針，換句話說，查找對(duì)象的元數(shù)據(jù)并不一定要經(jīng)過對(duì)象本身，可參考對(duì)象的訪問定位)

實(shí)例數(shù)據(jù)

實(shí)例數(shù)據(jù)部分是對(duì)象真正存儲(chǔ)的有效信息，也是在程序代碼中所定義的各種類型的字段內(nèi)容。無論是從父類中繼承下來的，還是在子類中定義的，都需要記錄下來。HotSpot虛擬機(jī)默認(rèn)的分配策略為longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oop，從分配策略中可以看出，相同寬度的字段總是分配到一起。

對(duì)齊填充

HotSpot虛擬機(jī)要求對(duì)象的起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，也就是對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。而對(duì)象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)（1倍或者2倍），因此，當(dāng)對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)部分沒有對(duì)齊的時(shí)候，就需要通過對(duì)齊填充來補(bǔ)全。