【JVM进阶之路】三：探究虚拟机对象

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 2023-01-09
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原文作者：三分恶 原文地址：https://juejin.cn/post/6942451260574400525

1、对象创建过程

单纯从语言层面，新建一个对象，可以通过new、反射、复制、反序列化等等。接下来，我们探究以下在虚拟机中，对象的创建是一个什么样的过程。

我们以虚拟机遇到一个new指令开始：

  • 首先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

  • 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，就先执行相应的类加载过程

  • 类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。

    内存分配有两种方式， 指针碰撞 （Bump The Pointer）、 空闲列表 （Free List）

    • 指针碰撞：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”
    • 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”
    • 两种方式的选择由Java堆是否规整决定
    • Java堆规整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

  • 内存分配完成之后，虚拟机将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值。

  • 接下来设置对象头，请求头里包含了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。

这个过程大概图示如下：

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分配内存线程安全问题 ：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。

线程安全问题有两种解可选方案：

  • 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。

从虚拟机角度来看，设置完对象头信息以后初始化就已经完成了，但是对于Java程序而言，new指令之后会接着执行 ()方法，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。

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2、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）。

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HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。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”。

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64位的HotSpot虚拟机中，如对象未被同步锁锁定的状态下，Mark Word的64个比特存储空间中的31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，在其他状态（轻量级锁、重量级锁、偏向锁）下对象的存储内容变化如图示。

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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，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，

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。

3、对象的访问定位

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，其结构如图所示：

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  • 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，如图所示：

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这两种对象访问方式各有优势，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。

HotSpot虚拟机主要使用直接指针来进行对象访问。

参考：

【1】：周志朋编著《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》

【2】：周志朋等翻译《Java虚拟机规范》

【3】：☆啃碎并发（七）：深入分析Synchronized原理