Java基础之创建虚拟机对象的过程详细总结

一、对象的创建

1.1 new 类名

虚拟机遇到一条new指令时，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，并检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化过。如果没有，先执行相应的类加载过程。

1.2 分配内存

虚拟机为新生对象分配内存。对象所需内存大小在类加载完成后就可以确定，为对象分配内存等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。

（1）内存分配的方式有两种：

① 指针碰撞： java堆如果规整，一边是用过的内存，一边是空闲的内存，中间一个指针作为边界指示器； 分配内存只需向空闲那边移动指针空出与对象大小相等的空间；

② 空闲列表： 如果不规整，即用过的和空闲的内存相互交错；则虚拟机需要维护一个列表，记录哪些内存可用；分配内存时查表找到一个足够大的内存，并更新列表记录。
选择哪种分配方式是根据这个虚拟机所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定的：如果虚拟机的虚拟器带压缩整理功能，则系统采用指针碰撞的内存分配算法；否则采用空闲列表的算法。

（2）线程安全问题

并发时，上面两种方式分配内存的操作都不是线程安全的，有两种解决方案：
① 同步处理
JVM采用CAS（Compare and Swap）机制加上失败重试的方式，保证更新操作的原子性；
CAS：有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做；
② 本地线程分配缓冲区（TLAB）
把分配内存的动作按照线程划分在不同的空间中进行：每个线程在Java堆预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）；哪个线程需要分配内存就从哪个线程的TLAB上分配；只有TLAB用完需要分配新的TLAB时，才需要同步处理。
JVM通过"-XX：+/-UseTLAB"指定是否使用TLAB。

1.3 初始化零值

内存分配完之后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值。如果用TLAB，则在TLAB分配时进行。这保证了程序中对象（及实例变量）不显式初始赋零值，程序也能访问到零值。

1.4 设置对象信息

虚拟机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、 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）之中。

1.5 构造对象

执行init方法，即按照程序员的意愿进行初始化。至此真正可用的对象才算完全被构造出来。

二、对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（InstanceData）和对齐填充（Padding)。

2.1 对象头

HotSpot虚拟机的对象头包含两部分：

（1）第一部分用于存储对象自身运行时数据，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”。

（2）另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。
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，即查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。

另外，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，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

2.2 实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中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，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FiedsAllocationStyle）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为：longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(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。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFieds参数值为true（默认为true），那么子类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

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，他仅仅起占位符的作用。由于HotSpot VM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，就是对象的大小必须是8字节的整数倍，而对象头部分正好是8字节的倍数，因此，当对象实例部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

三、对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。
reference类型在Java虚拟机规范中之规定了一个指向对象的引用，但没有定义这个引用应该通过何种方式去定位访问队中的对象的具体位置，因此对象的访问方式也是由虚拟机实现而定的。目前主流方式是使用句柄和直接指针两种。

3.1 使用句柄

如果以句柄方式访问，Java堆中将会划分出一块内存作为句柄池，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的具体地址信息。

3.2 指针方式

如果以指针方式访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身，就会少一次间接访问的开销。

四、两种方式的比较

句柄访问最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。
指针访问方式最大好处就是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对于下部分的访问在Java中非常频繁，因此此类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

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