从小工到专家的 Java 进阶之旅：HotSpot虚拟机对象探秘

对象的创建（以 new 关键字为例）

创建过程

1. Java 虚拟机遇到字节码new指令，首先检查new指令参数是否能够在常量池中定位到一个类的符号引用

如果是，继续下一步

如果否，执行类加载过程

如果是，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

如果否，执行类加载

2. 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即可确定）
3. 虚拟机将分配的内存空间（不包括对象头）初始化为零值。
4. 虚拟机对对象进行必要设置，比如设置对象头信息：
5. 对象是哪个类的实例
6. 如何找到类的元数据信息
7. 对象的哈希码
8. 对象的 GC 分代年龄
9. new指令之后会接着执行()方法，按照程序员意愿初始化对象

内存分配

1. 内存分配算法：拟机为新生对象分配内存有指针碰撞和空闲列表两种方式，具体选择哪种，取决于垃圾收集器是否带有空间压缩整理的能力。Serial、ParNew 带压缩整理，采用指针碰撞；CMS 基于清除算法，采用空闲列表。

指针碰撞 (Bump The Pointer)：堆内存绝对规整，已使用的在一边，未使用的在另外一遍，中间通过指针作为分界点指示器，分配内存即移动指针。

空闲列表 (Free List)：堆内存不规整，已使用与未使用相互交错，需要维护一个列表，记录哪些内存块可用，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，并更新列表记录。

2. 线程安全问题：创建对象比较频繁，需要保证线程安全，避免多个对象分配了相同的内存区域，一般是两种方式：

同步处理：虚拟机采用CAS+失败重试方式保证更新操作的原子性

本地线程分配缓冲：把内存分配的动作按照线程划分在不同空间之中进行，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，只有本地缓冲缓冲区用完了，分配新的缓冲区时才需要同步锁定。是否使用 TLAB，可以通过参数-XX:+/-UseTLAB参数设定。

对象的内存布局

1. 对象头 (Header)

用于存储对象自身运行时数据：哈希码 (Hash Code)、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，长度在 32 位和 64 位虚拟机分别是 32 比特和 64 比特，官方称为 Mark Word。

类型指针，即对象指向它的类型元数据指针，Java 虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

如果对象是数组，还有一个数据记录数组长度

2. 实例数据 (Instance Data)：即程序代码里面定义的各种类型的字段内容。存储顺序受虚拟机分配策略 (-XX:FieldsAllocationStyle 参数）和字段在 Java 源码中定义顺序影响。HotSpot 虚拟机默认分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/charts、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers, OOPS)，即相同宽度字段被分配到一起存放，在满足这个前提条件情况下，在父类中定义的变了会出现在子类之前。如果 HotSpot 虚拟机的+XX:CompactFields 参数设置为 true，子类中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙中，以节省空间。
3. 对齐填充 (Padding)：占位符作用。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。

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，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

• 使用句柄：Java 堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的是对象的句柄地址，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。好处是解耦，reference 中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾回收等）时只会改变句柄中实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。
• 直接指针：Java 堆中的对象布局必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference 中存储的是对象地址。好处是速度快，节省一次指针定位时间开销，HotSpot 主要使用直接指针。

使用句柄

直接指针