HotSpot虚拟机对像探秘

对像的创建

  1. 类的加载检查
  2. 分配内存
  3. 初始化零值
  4. 设置对象头
  5. 执行init方法

类的加载检查

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这个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载过,解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程。

分配内存

在类的加载检查通过后,接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定,为对象分配空间的任务,等同于把一个块确定大小的内存从Java堆中划分出来。分配方式有“指针碰撞”和“空闲列表”两种,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。

内存分配的两种方法

  1. 指针碰撞
    适用场景:堆内存规整(即没有内存碎片)的情况下。
    原理:用过的内存全部整合到一边,没有用过的内存放在另一半,中间有一个分界值指针,只需要向着没用过的内存方向将该指针移动对象内存大小位置即可。
    GC收集器:Serial、ParNew

  2. 空闲列表
    适用场景:堆内存不规整的情况下。
    原理:虚拟机会维护一个列表,该列表会记录哪些内存块是可用的,在分配的时候,找一块足够大的内存块来划分给对象实例,最后更新列表记录。
    GC收集器:CMS

内存分配并发问题

在创建对象的时候有一个很重要的问题,就是线程安全,因为在实际开发过程中,创建对象是频繁的事情,作为虚拟机来说,必须要保证线程是安全的,通常来讲,虚拟机采用两种方式来保证线程安全:

  • CAS + 失败重试:CAS是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。虚拟机采用CAS配上失败重试的方法保证更新操作的原子性。
  • TLAB:为每一个线程预先在Eden区分配一块儿内存,JVM在给线程中的对象分配内存时,首先在TLAB分配,当对象大于TLAB中的剩余内存或TLAB的内存已用尽时,再采用上述的CAS进行内存分配。

初始化零值

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(不包括对象头),这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

设置对象头

初始化零值完成之后,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头中。另外,根据虚拟机当前运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。

执行init方法

在上面工作都完成之后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生了,但从Java程序的视角来看,对象创建才刚开始,
<init>方法还没有执行,所有的字段都还为零。所有一般来说,执行new指令之后会接着执行<init>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是完全产生出来。

对象的内存布局

对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分:

  1. 对象头
  2. 实例数据
  3. 对齐填充

对象头(Header)

Hotspot虚拟机的对象头包括两部分信息:

  1. 用于存储对象自身的运行时数据(哈希码,GC分代年龄、锁状态标志等等)
  2. 类型指针,即对象指向它的类型元数据的指针,Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

实例数据(Instance Data)

实例数据是对象真正存储的有效信息,也是在程序中所定义的各种类型的字段内容。

对齐填充(Padding)

对齐填充不是必然存在的,也没有什么特别的含义,仅仅起到占位的作用。因为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,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(1倍或2倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象,Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定,主流的访问方式主要有使用句柄直接指针两种。

句柄

如果使用句柄访问的话,Java堆中将可能会划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与类型数据各自具体的地址信息。
使用句柄

直接指针

如果使用直接指针的话,那么Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,reference中存储的直接就是对象地址,如果只访问对象本身的话,就不需要多一次间接访问的开销。
使用直接指针

小结

两种对象访问方式各有优势,使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址,在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针,而referen本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快,它节省了一次指针定位的时间开销。

文章作者: 牧尾伊織
文章链接: http://example.com/2021/10/08/note/HotSpot虚拟机对像探秘/
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