学习笔记：深入理解Java虚拟机第二章:Java内存区域与内存溢出异常（2）

三、HotSpot虚拟机对象探秘

1.对象的创建

在Java程序运行过程中时刻都有对象被创建。在语言层面上，创建对象（例如克隆、反序列化）通常仅仅是一个关键字new而已，而在虚拟机中，对象（普通的Java对象，不包括数组和Class字节码文件对象）的创建又是怎样一个过程呢？

虚拟机遇到一条new指令时，首先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。

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，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，中间放一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就是把指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式成为“指针碰撞”（Bump the Point）。如果Java堆中的内存并不规整，已使用的内存和空闲的内存相互交错，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。因此，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，常采用空闲列表。

除了内存划分，另一个需要考虑的问题是线程安全问题。创建对象在虚拟机是非常频繁的行为，即使仅是修改指针指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的（可能正在给A分配内存，指针还没来得及改，对象B就又使用了原来的指针来分配内存）。解决方案有两种：一是对分配内存的行为做同步处理（实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性）。二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（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TLAB中分配，TLAB用完才进行同步锁定）。

内存分配完成后，虚拟机要将分配到的内存空间初始化为零值（不包括对象头）。如果使用TLAB，这一过程也能提前至TLAB分配时进行。

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、如何才能找到类的元数据信息、对象的HashCode、对象的GC分代年龄等。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）中。根据虚拟机当前运行状态不同，对象头会有不同的设置方式。

上述工作完成后，在虚拟机视角看，一个新的对象已经产生了。但从Java程序的视角看，对象创建才刚开始，init初始化方法还未执行，所有字段都为零。执行new指令后会接着执行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完全产生出来。

对象的创建过程: 类加载检查-->分配内存(线程安全问题)-->初始化内存空间-->设置对象头-->init初始化方法

2.对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中,对象的内存布局分为3块:对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

2.1对象头

对象头包括两部分信息，第一部分存储对象自身的运行时数据，如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。

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，虚拟机通过指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，也即查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。如果对象是一个数组，那么在对象头中还要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，但是数组的元数据中无法确定数组大小。

2.2实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中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，都需要记录下来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（Field Allocation Style）和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles，ints，shorts/chars，bytes/booleans，opps（Ordinary Object Pointers），从分配策略可以看出，相同宽度的字段总是被分配在一起。在这个前提下，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），那么子类中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

2.3对齐填充

对齐填充并不是必然存在的，也没有特殊含义，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，也就是对象的大小必须是8的整数倍，而对象头部分正好是8字节的倍数（1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。

3.对象的访问

建立对象是为了使用，Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆中的具体对象。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去定位、访问堆中对象的具体位置，所以对象访问的方式也取决于虚拟机的实现。目前主流的访问方式由使用句柄和直接指针两种。

如果使用句柄访问，那么堆中会划分一块内存作为句柄池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的具体地址信息。

如果使用直接指针访问，那么堆中对象的布局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。

两种对象访问方式各有优势，使用句柄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（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本身不需要修改。

使用直接指针访问方式最大好处是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项可观的执行成本。

HotSpot虚拟机中是使用直接指针进行对象访问的。