HotSpot 虚拟机 Java 堆中对象的分配、布局和访问

0. 前提

• new 关键字，排除复制、反序列化
• 普通 Java 对象，排除数组和 Class 对象

1. 分配过程

1. 检查 new 指令的参数是否能在常量池中找到一个类的符号引用，并且检查是否已被加载、解析和初始化过

• 否则执行类加载过程

2. 为新生对象分配内存

• 如何分配

  • 根据所用的垃圾回收器是否有空间压缩整理功能决定

  • 方式

    • 指针碰撞
      Bump The Pointer

      • 内存空间是规整的，一边正在使用的，一边空闲的，边界处有一个指针，分配内存只是把指针往空闲的那部分移动与对象大小相等的距离

    • 空闲列表
      Free List

      • 不是规整的，分配的时候在空闲列表上找到一块足够大的空间，更新列表记录

• 考虑高并发

  • 方案一

    • 分配内存进行同步处理：CAS+ 失败重试保证更新操作的原子性

      • Atomic::cmpxchg_ptr()
        goto retry

  • 方案二

    • 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（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），TLAB 用完后才会同步锁分配内存
    • 是否启用 TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB 指定

3. 零值初始化

• 不包括对象头
• 如果使用 TLAB 可以提前到 TLAB 分配时顺便进行
• 保证对象实例字段在 Java 代码中不赋初始值就能直接使用，使程序能访问到字段得数据类型对应的零值

4. 对象头 Object Header 初始化

• 根据虚拟机当前运行状态的不同，会有不同的设置方式

• 对象头内容

  • 对象是哪个类的实例
  • 如何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
  • ......

5. 执行构造函数

• 一般来说会执行 Class 文件中的()方法

• 父类子类执行顺序

  • 父类静态代码块
  • 子类静态代码块
  • 父类代码块
  • 父类构造函数
  • 子类代码块
  • 子类构造函数

2. 对象内存布局

对象头 Header

• Mark Word

• 类型指针 Class Pointer

  • 指向类型元数据的指针
  • 虚拟机通常用这个来确定对象是哪个类的实例

• 数组长度 length

  • 如果是数组的话才需要
  • 普通 Java 对象可以直接确定大小，数组长度不固定的话，没法只通过元数据推断出数组大小

实例数据 Instance Data

• 保存对象的所有字段，不管是父类还是子类

  • 默认顺序：
    long/double, int, short, char, byte/boolean, oop (Ordinary Object Pointers)

• 存储顺序一般是长度一样的存一起，与代码中定义的顺序也有关系

  • -XX:FieldsAllocationStyle

  • +XX:CompactFileds，默认为 true

    • 允许子类中比较窄的变量插入到父类变量的空隙之中，节省一点点空间

对齐填充 Padding

• HotSpot 规定任何对象大小都必须是 8 字节的整数倍，对象头已经设计为 8 字节的整数倍，如果实例数据部分没有对齐的话需要通过对齐填充补全

3. 对象访问

通过 Java 栈（本地变量表）上的 reference 数据来操作对上的具体对象，由虚拟机实现具体方式

主流方式

• 句柄

  • reference 存储的是对象实例数据和对象类型数据
  • Java 堆中单独开辟一块区域存放句柄，访问对象实例数据需要两次跳转

• 直接指针

  • reference 存储的直接就是是对象地址，可以直接访问到对象示例数据，访问对象类型数据才需要两次跳转
  • 因为通常只是访问对象，而不是访问对象的类型数据

补充

查看字节码的插件

• jclasslib

对象类型数据

• 对象类型数据就是被虚拟机加载的类信息（即 Class 信息，见 2.2.5 方法区）

对象实例数据

• 对象实例数据就是被 new 出来的对象信息。