JVM：全面解析Java對象的創建、記憶體布局 & 訪問定位流程
- 2019 年 10 月 25 日
- 筆記
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前言
- 了解
Java對象從被創建、存儲 & 怎麼被使用的整個過程十分重要 - 對應過程則是：對象創建、對象記憶體布局、對象訪問定位的三個過程。
- 在本文將 ，我對
Java對象創建、對象記憶體布局、對象訪問定位的三個過程 進行了詳細介紹，希望你們會喜歡
在接下來的日子，我會推出一系列講解
JVM的文章，具體如下;
1. 對象創建
- 在開發使用時，創建
Java對象僅僅只是是通過關鍵字new：
A a = new A()；
- 可是
Java對象在虛擬機中創建則是相對複雜。今天，我將詳解Java對象在虛擬機中的創建過程
限於普通對象，不包括數組和Class對象等
1.1 創建過程
當遇到關鍵字new指令時，Java對象創建過程便開始，整個過程如下：
下面我將對每個步驟進行講解。
1.2 過程步驟
步驟1：類載入檢查
- 檢查 該
new指令的參數 是否能在 常量池中 定位到一個類的符號引用 - 檢查 該類符號引用 代表的類是否已被載入、解析和初始化過
如果沒有，需要先執行相應的類載入
關於類載入請看文章：JVM）Java虛擬機：類載入的5個過程
步驟2：為對象分配記憶體
- 虛擬機將為對象分配記憶體，即把一塊確定大小的記憶體從
Java堆中劃分出來
對象所需記憶體的大小在類載入完成後便可完全確定
- 關於分配記憶體，此處主要講解記憶體分配方式
- 記憶體分配 根據 Java堆記憶體是否絕對規整 分為兩種方式：指針碰撞 & 空閑列表
Java堆記憶體 規整：已使用的記憶體在一邊，未使用記憶體在另一邊Java堆記憶體 不規整：已使用的記憶體和未使用記憶體相互交錯
方式1：指針碰撞
- 假設Java堆記憶體絕對規整，記憶體分配將採用指針碰撞
- 分配形式：已使用記憶體在一邊，未使用記憶體在另一邊，中間放一個作為分界點的指示器
- 那麼，分配對象記憶體 = 把指針向 未使用記憶體 移動一段 與對象大小相等的距離
方式2：空閑列表
- 假設Java堆記憶體不規整，記憶體分配將採用 空閑列表
- 分配形式：虛擬機維護著一個 記錄可用記憶體塊 的列表，在分配時從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對象實例，並更新列表上的記錄
額外知識
- 分配方式的選擇 取決於
Java堆記憶體是否規整； - 而
Java堆是否規整 由所採用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。因此：- 使用帶
Compact過程的垃圾收集器時，採用指針碰撞；
- 使用帶
如
Serial、ParNew垃圾收集器
- 使用基於
Mark_sweep演算法的垃圾收集器時，採用空閑列表。
如
CMS垃圾收集器
特別注意
- 對象創建在虛擬機中是非常頻繁的操作，即使僅僅修改一個指針所指向的位置，在並發情況下也會引起執行緒不安全
如，正在給對象A分配記憶體，指針還沒有來得及修改，對象B又同時使用了原來的指針來分配記憶體
所以，給對象分配記憶體會存在執行緒不安全的問題。
解決 執行緒不安全 有兩種方案：
- 同步處理分配記憶體空間的行為
虛擬機採用
CAS+ 失敗重試的方式 保證更新操作的原子性
- 把記憶體分配行為 按照執行緒 劃分在不同的記憶體空間進行
- 即每個執行緒在
Java堆中預先分配一小塊記憶體（本地執行緒分配緩衝（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）），哪個執行緒要分配記憶體，就在哪個執行緒的TLAB上分配，只有TLAB用完並分配新的TLAB時才需要同步鎖。 - 虛擬機是否使用
TLAB，可以通過-XX:+/-UseTLAB參數來設定。
步驟3： 將記憶體空間初始化為零值
記憶體分配完成後，虛擬機需要將分配到的記憶體空間初始化為零（不包括對象頭）
- 保證了對象的實例欄位在使用時可不賦初始值就直接使用（對應值 = 0）
- 如使用本地執行緒分配緩衝（TLAB），這一工作過程也可以提前至TLAB分配時進行。
步驟4： 對對象進行必要的設置
如，設置 這個對象是哪個類的實例、如何才能找到類的元數據資訊、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡等資訊。
這些資訊存放在對象的對象頭中。
- 至此，從
Java虛擬機的角度來看，一個新的Java對象創建完畢 - 但從
Java程式開發來說，對象創建才剛開始，需要進行一些初始化操作。
1.3 總結
下面用一張圖總結 Java對象創建的過程
2. 對象的記憶體布局
- 問題：在
Java對象創建後，到底是如何被存儲在Java記憶體里的呢？ - 答：在
Java虛擬機（HotSpot）中，對象在Java記憶體中的 存儲布局 可分為三塊：- 對象頭 存儲區域
- 實例數據 存儲區域
- 對齊填充 存儲區域
下面我會詳細說明每一塊區域。
2.1 對象頭 區域
此處存儲的資訊包括兩部分：
- 對象自身的運行時數據（
Mark Word）
- 如哈希碼（
HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖、偏向執行緒ID、偏向時間戳等 - 該部分數據被設計成1個 非固定的數據結構 以便在極小的空間存儲盡量多的資訊（會根據對象狀態復用存儲空間）
- 對象類型指針
- 即對象指向它的類元數據的指針
- 虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例
特別注意
如果對象 是 數組，那麼在對象頭中還必須有一塊用於記錄數組長度的數據
因為虛擬機可以通過普通Java對象的元數據資訊確定對象的大小，但是從數組的元數據中卻無法確定數組的大小。
2.2 實例數據 區域
- 存儲的資訊：對象真正有效的資訊
即程式碼中定義的欄位內容
- 註：這部分數據的存儲順序會受到虛擬機分配參數（FieldAllocationStyle）和欄位在Java源碼中定義順序的影響。
// HotSpot虛擬機默認的分配策略如下： longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oop(Ordinary Object Pointers) // 從分配策略中可以看出，相同寬度的欄位總是被分配到一起 // 在滿足這個前提的條件下，父類中定義的變數會出現在子類之前 CompactFields = true； // 如果 CompactFields 參數值為true，那麼子類之中較窄的變數也可能會插入到父類變數的空隙之中。
2.3 對齊填充 區域
- 存儲的資訊：佔位符
佔位作用
- 因為對象的大小必須是8位元組的整數倍
- 而因HotSpot VM的要求對象起始地址必須是8位元組的整數倍，且對象頭部分正好是8位元組的倍數。
- 因此，當對象實例數據部分沒有對齊時（即對象的大小不是8位元組的整數倍），就需要通過對齊填充來補全。
2.4 總結
3. 對象的訪問定位
- 問：建立對象後，該如何訪問對象呢？
實際上需訪問的是 對象類型數據 & 對象實例數據
- 答：
Java程式 通過 棧上的引用類型數據（reference） 來訪問Java堆上的對象
由於引用類型數據（reference）在 Java虛擬機中只規定了一個指向對象的引用，但沒定義該引用應該通過何種方式去定位、訪問堆中的對象的具體位置
所以對象訪問方式取決於虛擬機實現。目前主流的對象訪問方式有兩種：
- 句柄 訪問
- 直接指針 訪問
具體請看如下介紹：
4. 總結
- 本文我對
Java對象創建、對象記憶體布局、對象訪問定位的三個過程 進行了詳細介紹。
