JVM：全面解析Java對象的創建、內存佈局 & 訪問定位流程

前言

• 瞭解 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、對象內存佈局、對象訪問定位的三個過程。
• 在本文將 ，我對 Java 對象創建、對象內存佈局、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；感興趣可持續關注Carson_Ho的安卓開發筆記

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目錄

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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：類加載檢查

1. 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
2. 檢查 該類符號引用 代表的類是否已被加載、解析和初始化過

如果沒有，需要先執行相應的類加載過程

關於類加載請看文章：JVM）Java虛擬機：類加載的5個過程

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步驟2：爲對象分配內存

• 虛擬機將爲對象分配內存，即把一塊確定大小的內存從 Java 堆中劃分出來

對象所需內存的大小在類加載完成後便可完全確定

• 關於分配內存，此處主要講解內存分配方式
• 內存分配 根據 Java堆內存是否絕對規整 分爲兩種方式：指針碰撞 & 空閒列表

1. Java堆內存 規整：已使用的內存在一邊，未使用內存在另一邊
2. Java堆內存 不規整：已使用的內存和未使用內存相互交錯

方式1：指針碰撞

• 假設Java堆內存絕對規整，內存分配將採用指針碰撞
• 分配形式：已使用內存在一邊，未使用內存在另一邊，中間放一個作爲分界點的指示器

• 那麼，分配對象內存 = 把指針向 未使用內存 移動一段 與對象大小相等的距離

方式2：空閒列表

• 假設Java堆內存不規整，內存分配將採用 空閒列表
• 分配形式：虛擬機維護着一個 記錄可用內存塊 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堆內存是否規整；
• 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：
  1. 使用帶 Compact 過程的垃圾收集器時，採用指針碰撞；

如Serial、ParNew垃圾收集器

2. 使用基於 Mark_sweep算法的垃圾收集器時，採用空閒列表。

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，在併發情況下也會引起線程不安全

如，正在給對象A分配內存，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內存

所以，給對象分配內存會存在線程不安全的問題。

解決 線程不安全 有兩種方案：

1. 同步處理分配內存空間的行爲

虛擬機採用 CAS + 失敗重試的方式 保證更新操作的原子性

2. 把內存分配行爲 按照線程 劃分在不同的內存空間進行

1. 即每個線程在 Java堆中預先分配一小塊內存（本地線程分配緩衝（Thread Local Allocation Buffer ，TLAB）），哪個線程要分配內存，就在哪個線程的TLAB上分配，只有TLAB用完並分配新的TLAB時才需要同步鎖。
2. 虛擬機是否使用TLAB，可以通過-XX:+/-UseTLAB參數來設定。

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步驟3： 將內存空間初始化爲零值

內存分配完成後，虛擬機需要將分配到的內存空間初始化爲零（不包括對象頭）

1. 保證了對象的實例字段在使用時可不賦初始值就直接使用（對應值 = 0）
2. 如使用本地線程分配緩衝（TLAB），這一工作過程也可以提前至TLAB分配時進行。

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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信息、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡等信息。

這些信息存放在對象的對象頭中。

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• 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 程序開發來說，對象創建纔剛開始，需要進行一些初始化操作。

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1.3 總結

下面用一張圖總結 Java對象創建的過程

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2. 對象的內存佈局

• 問題：在 Java 對象創建後，到底是如何被存儲在Java內存裏的呢？
• 答：在Java虛擬機（HotSpot）中，對象在 Java 內存中的 存儲佈局 可分爲三塊：
  1. 對象頭 存儲區域
  2. 實例數據 存儲區域
  3. 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

此處存儲的信息包括兩部分：

• 對象自身的運行時數據（Mark Word）

1. 如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時間戳等
2. 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儘量多的信息（會根據對象狀態複用存儲空間）

• 對象類型指針

1. 即對象指向它的類元數據的指針
2. 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

因爲虛擬機可以通過普通Java對象的元數據信息確定對象的大小，但是從數組的元數據中卻無法確定數組的大小。

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2.2 實例數據 區域

• 存儲的信息：對象真正有效的信息

即代碼中定義的字段內容

• 注：這部分數據的存儲順序會受到虛擬機分配參數（FieldAllocationStyle）和字段在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，相同寬度的字段總是被分配到一起
// 在滿足這個前提的條件下，父類中定義的變量會出現在子類之前

CompactFields = true；
// 如果 CompactFields 參數值爲true，那麼子類之中較窄的變量也可能會插入到父類變量的空隙之中。

2.3 對齊填充 區域

• 存儲的信息：佔位符

佔位作用

• 因爲對象的大小必須是8字節的整數倍
• 而因HotSpot VM的要求對象起始地址必須是8字節的整數倍，且對象頭部分正好是8字節的倍數。
• 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字節的整數倍），就需要通過對齊填充來補全。

2.4 總結

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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程序 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：

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4. 總結

• 本文我對 Java 對象創建、對象內存佈局、對象訪問定位的三個過程 進行了詳細介紹
• 在接下來的日子，我會推出一系列講解JVM的文章，具體如下；感興趣的同學可以繼續關注本人運營的技術博客：我想給你們介紹一個與衆不同的Android微信公衆號（福利回贈）

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