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之前探讨了Java虚拟机内存模型的概况，了解了内存中到底都放了些什么数据，那它们是如何创建、如何布局以及如何访问的呢，下面来探讨一下HotSpot虚拟机在Java堆中对象分配、 布局和访问的全过程。
对象的创建
在语言层面上， 创建对象通常（例外： 复制、 反序列化） 仅仅是一个new关键字而已， 而在虚拟机中， 对象（这里讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等） 的创建又是怎样一个过程呢？
- 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，那必须先执行相应的类加载过程。
- 接下来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完全确定）。
- 内存分配完成之后， 虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值。这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，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。（如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。）
- 接下来， Java虚拟机还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（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才计算）、对象的GC分代年龄等信息。 这些信息存放在对象的对象头（Object Header） 之中。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。
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程序的视角看来， 对象创建才刚刚开始——构造函数（即Class文件中的<init>()方法）还没有执行， 所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。一般来说，new指令之后会接着执行<init>()方法， 按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。
下图展示了new一个对象的主要流程：
在Java堆中为对象分配内存空间的两种方式
- 指针碰撞： 如果Java堆中内存是绝对规整的， 所有被使用过的内存都被放在一边， 空闲的内存被放在另一边， 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方向挪动一段与对象大小相等的距离。
- 空闲列表：如果Java堆中的内存并不是规整的， 已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起， 那就没有办法简单地进行指针碰撞了，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。
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空间压缩整理（Compact）的能力决定。 因此， 当使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时， 系统采用的分配算法是指针碰撞， 既简单又高效； 而当使用CMS这种基于清除（Sweep） 算法的收集器时， 理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。强调“理论上”是因为在CMS的实现里面， 为了能在多数情况下分配得更快，设计了一个叫作Linear Allocation Buffer的分配缓冲区， 通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区之后， 在它里面仍然可以使用指针碰撞方式来分配。
对象创建如何保证线程安全？
对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为， 即使仅仅修改一个指针所指向的位置， 在并发情况下也并不是线程安全的， 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分配内存的情况。
解决方案：
- 方案一：对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；
- 方案二：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（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，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。
虚拟机是否使用TLAB， 可以通过-XX： +/-UseTLAB参数来设定。
什么是CAS？
CAS（Compare And Swap，比较并交换），它是一条CPU并发原语。针对一个变量，首先比较它的内存值与某个期望值是否相同。如果相同，就给它赋一个新值；否则，处理器不做任何操作。这个过程是原子的。
对象的内存布局
在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分： 对象头、 实例数据和对齐填充。
对象头（Header）
对象（非数组对象）头部分包括两类信息。
第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、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；官方称它为“Mark Word”。 对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的最大限度，但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本， 考虑到虚拟机的空间效率， Mark Word被设计成一个有着动态定义的数据结构， 以便在极小的空间内存储尽量多的数据， 根据对象的状态复用自己的存储空间。
另外一部分是类型指针， 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。
如果对象是一个Java数组， 那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据， 因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。
实例数据（Instance Data）
实例数据部分是对象真正存储的有效信息， 即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容， 无论是从父类继承下来的， 还是在子类中定义的字段都必须记录起来。
HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、 ints、 shorts/chars、 bytes/booleans、 oops（Ordinary Object Pointers， OOPs） ， 从以上默认的分配策略中可以看到， 相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。 如果HotSpot虚拟机的+XX：CompactFields参数值为true（默认就为true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。
对齐填充（Padding）
这部分并不是必然存在的， 也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。 由于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， 换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数（1倍或者 2倍），因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话， 就需要通过对齐填充来补全。
对象的访问定位
我们的Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。对象访问方式由虚拟机具体的实现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种。
通过句柄访问对象
如果使用句柄访问的话，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。
通过直接指针访问对象
如果使用直接指针访问的话， 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， 如果只是访问对象本身的话， 就不需要多一次间接访问的开销。
句柄访问对象和直接指针访问对象的优缺点
- 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（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针， 而reference本身不需要被修改。
- 使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本。
对虚拟机HotSpot而言，它主要使用第二种方式进行对象访问，但从整个软件开发的范围来看，在各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。
总结
本文首先讲述了JVM中对象的创建，他的流程主要是先判断对象是否加载，然后判断内存是否规整，来决定是使用指针碰撞来分配内存还是使用空闲列表来分配内存，同时创建分配内存时，还需要考虑线程安全的问题；然后讲了对象的内存布局，主要包括对象头、 实例数据和对齐填充三个部分，最后，讲述了对象的访问定位两种方式：句柄访问对象和直接指针访问对象，这两者各有优缺点。