重识JVM(二):虚拟机对象相关

1.对象的创建

在语言层面,创建一个对象通常是new一个关键字,那么在java虚拟机中,对象的创建过程又是怎样的呢?

(1)虚拟机遇到一条new 指令时,首先将去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,并且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,那就执行类加载过程

(2)在类加载检查通过后,虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可确定,为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从Java 堆中划分出来。假设Java 堆中内存是绝对规整的,所有用过的内存都放在一边,空闲的内存放在另一边,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那边挪动一块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 堆中的内存不是规整的,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(Free List)。选择哪种分配方式由Java 堆是否规整决定,而Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

(3)除如何划分可用空间之外,还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为,即使是仅仅修改一个指针所指向的位置,在并发情况下也不是线程安全的,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。解决这个问题有两个方案,一种是对分配内存空间的动作进行同步处理(CAS+重试),另一
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TLAB。哪个线程分配内存,就在哪个线程的TLAB上分配,只有TLAB 用完并分配新的TLAB 时,才需要同步锁定

(4)内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值。接下来,虚拟机要对对象进行必要的设置,例如这个对象是哪个类的实例、如何找到类的元数据等信息。这些信息存放在对象的对象头之中。上述工作完成后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生,但从Java 程序的视角来看,构造方法还没有执行,字段都还为0。所以执行new 指令之后会接着执行构造方法等,这样一个对象才算真正产生出来。

2.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 个区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。
对象头包括两部分信息,第一部分用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等。对象头的另一部分是类型指针,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哪个类的实例。实例数据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。无论是从父类继承的,还是在子类中定义的,都需要记录下来。相同宽度的字段总是被分配到一起,在这个前提下,在父类中定义的变量会出现在子类之前。对齐填充并不是必然存在的,它仅仅起着占位符的作用,HotSpot 虚拟机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,即对象大小必须是8 字节的整数倍,而对象头正好是8 字节的整数倍。因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要对齐填充来补全

3.对象的访问定位

Java 程序需要通过栈上的Reference 数据来操作堆上的具体对象。由于Reference 类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过何种方式来定位、访问堆中对象的具体位置,所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目标主流的方式有使用句柄直接指针两种。
如果使用句柄访问的话,那么Java 堆中将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和类型数据各自的具体地址信息。如下图所示:

如果使用直接指针访问,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。如下图所示:

使用句柄来访问的最大好处就是Reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动时(垃圾收集时移动对象时非常普遍的)只会改变句柄中的实例数据指针,而Reference 本身不需要修改。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快,它节省了一次指针定位的时间开销。

 

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