JVM(九)对象的实例化内存布局与访问定位

- 相关面试题
- 对象的实例化
- - 创建对象的方式
  - 对象创建步骤
  - - 第一步：判断对象对应的类是否加载，链接，初始化
    - 第二步：为对象分配内存
    - 第三步处理并发安全问题
    - 第四步属性的默认初始化
    - 第五步设置对象的对象头
    - 第六步执行init方法进行初始化
- 对象的内存布局
- - 对象头
  - 实例数据
  - 对齐填充（Padding）
  - 小结
- 对象的访问定位
- - 句柄访问方式
  - 直接指针方式
- 使用工具查看对象的内存布局

new对象是放在堆空间，类型信息是放在方法区，方法的局部变量放在栈空间。new了一个对象，怎么把这三块粘合在一起？

对象的实例化

创建对象的方式

new 最长见的方式
变形1 ： Xxx的静态方法
变形2 ： XxBuilder/XxoxFactory的静态方法
Class的newInstance（）：反射的方式，只能调用空参的构造器，权限必须是public
Constructor的newInstance（Xxx）：反射的方式，位于java.lang.reflect.Constructor
可以调用空参、带参的构造器，权限没有要求
使用clone（）：不调用任何构造器，当前类需要实现Cloneable接口，实现clone（）
使用反序列化：从文件中、从网络中获取一个对象的二进制流
第三方库Objenesis

对象创建步骤

第一步：判断对象对应的类是否加载，链接，初始化

虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的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经被加载、解析和初始化。（即判断类元信息是否存在）。

如果没有，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader+包名+类名为Key进行查找对应的.class文件。如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，如果找到，则进行类加载，并生成对应的Class类对象

第二步：为对象分配内存

首先计算对象占用空间大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小。

如果内存规整，使用指针碰撞
如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（BumpThePointer）来为对象分配内存。意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存在另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。所以一般使用带有compact （整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。
如果内存不规整，虚拟机需要维护一个列表，使用空闲列表分配
如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，即空间碎片，那么虛拟机将采用的是空闲列表法来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。这种分配方式成为“空闲列表（Free List） ”。例如：CMS

说明：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。

第三步处理并发安全问题

在分配内存空间时，另外一个问题是及时保证new对象时候的线程安全性：创建对象是非常频繁的操作，虚拟机需要解决并发问题。虚拟机采用了两种方式解决并发问题：

CAS （ Compare And Swap ）失败重试、区域加锁：保证指针更新操作的原子性；
TLAB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区，（TLAB，Thread Local Allocation Buffer）虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/一UseTLAB参数来设定。

第四步属性的默认初始化

Java给对象的属性赋值的操作有如下四种：
① 属性的默认初始化
② 显式初始化
③ 代码块中初始化
④ 构造器中初始化

这里提到的是第①种：初始化分配到的空间指的是①：所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值时可以直接使用。

内存分配结束，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）。这一步保证了对象的实例字段在Java代码中可以不用赋初始值就可以直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

第五步设置对象的对象头

将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。

第六步执行init方法进行初始化

在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量。因此一般来说（由字节码中是否跟随有invokespecial指令所决定），new指令之后会接着就是执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全创建出来。
在这里插入图片描述

对象的内存布局

对象实例都是放在堆空间中，堆空间new的对象里面都有些啥？
包含：对象头，实例数据，对齐填充
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对象头

包含：运行时元数据，类型指针

运行时元数据(Mark Word)：8字节。Mark Word记录锁信息，GC标记信息，hashCode
- 哈希值（ HashCode ）
- GC分代年龄
- 锁信息
  - 锁状态标志
  - 线程持有的锁
  - 偏向线程ID
  - 偏向时间戳
类型指针Klass Word(压缩4字节，不压缩8字节，默认4字节)：指向元空间，类元数据的InstanceKlass，确定该对象所属的类型
数组长度也是占用64位（8字节）的空间，这是可选的，只有当本对象是一个数组对象时才会有这个部分；

说明：如果是数组，还需记录数组的长度

实例数据

如果这个类就一个成员：int m=8;那么整个实例数据占用4个字节
说明：它是对象真正存储的有效信息，包括程序代码中定义的各种类型的字段（包括从父类继承下来的和本身拥有的字段）规则：

相同宽度的字段总被分配在一起
父类中定义的变量会出现在子类之前
如果CompactFields参数为true（默认为true），子类的窄变量可能插入到父类变量的空隙

对齐填充（Padding）

不是必须的，也没特别含义，仅仅起到占位符作用

注：如果是64位的虚拟机，整个对象大小必须能被8整除。
比如：Mark Word8字节+Klass Word8字节+实例数据4字节=20字节，那么Padding必须等于4字节，就为了能让8整除。

小结

示例代码：

public class CustomerTest {
    public static void main(String[] args) {
        Customer cust = new Customer();
    }
}

在这里插入图片描述

对象的访问定位

JVM是如何通过栈帧中的对象引用访问到堆区的实例对象的呢?
堆空间的对象实例又是怎么样找到方法区中的类的元数据的呢？
在这里插入图片描述
访问对象实例的主要方式有两种：句柄访问、直接指针(HotSpot采用)

句柄访问方式

在这里插入图片描述
句柄定位方式优缺点：
缺点：占用空间、间接指向对象实例。
优点：定位稳定：当对象实例发生移动（垃圾回收算法，内存整理算法），则不需要修改reference到句柄的定位地址，仅需要在句柄内修改间接地址，重新定位到对象实例即可。

直接指针方式

在这里插入图片描述
hotspot虚拟机采用的是直接指针方式。

使用工具查看对象的内存布局

主要用来观察对象内部怎么实现。
依赖：

<!--jol查看对象实例布局-->
<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

实例：

public static void main(String[] args) {
    Object o = new Object();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}

结果：
在这里插入图片描述