JVM:Java对象的创建、内存布局 & 访问定位 全过程解析

前言

  • 了解 Java 对象从被创建、存储 & 怎么被使用的整个过程十分重要
  • 对应过程则是:对象创建、对象内存布局、对象访问定位的三个过程。
  • 本文将本文我对 Java 对象创建、对象内存布局、对象访问定位的三个过程 进行了详细介绍,希望你们会喜欢

在接下来的日子,我会推出一系列讲解JVM的文章,具体如下;感兴趣可持续关注Carson_Ho的安卓开发笔记

示意图

目录

示意图

1. 对象创建

  • 在开发使用时,创建 Java 对象仅仅只是是通过关键字new
A a = new A();
  • 可是 Java对象在虚拟机中创建则是相对复杂。今天,我将详解Java对象在虚拟机中的创建过程

限于普通对象,不包括数组和Class对象等

1.1 创建过程

当遇到关键字new指令时,Java对象创建过程便开始,整个过程如下:

Java对象创建过程

下面我将对每个步骤进行讲解。

1.2 过程步骤

步骤1:类加载检查

  1. 检查 该new指令的参数 是否能在 常量池中 定位到一个类的符号引用
  2. 检查 该类符号引用 代表的类是否已被加载、解析和初始化过

如果没有,需要先执行相应的类加载过程

关于类加载请看文章:JVM)Java虚拟机:类加载的5个过程


步骤2:为对象分配内存

  • 虚拟机将为对象分配内存,即把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来

对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定

  • 关于分配内存,此处主要讲解内存分配方式
  • 内存分配 根据 Java堆内存是否绝对规整 分为两种方式:指针碰撞 & 空闲列表
  1. Java堆内存 规整:已使用的内存在一边,未使用内存在另一边
  2. Java堆内存 不规整:已使用的内存和未使用内存相互交错
示意图

方式1:指针碰撞

  • 假设Java堆内存绝对规整,内存分配将采用指针碰撞
  • 分配形式:已使用内存在一边,未使用内存在另一边,中间放一个作为分界点的指示器
正常状态
  • 那么,分配对象内存 = 把指针向 未使用内存 移动一段 与对象大小相等的距离
分配内存空间

方式2:空闲列表

  • 假设Java堆内存不规整,内存分配将采用 空闲列表
  • 分配形式:虚拟机维护着一个 记录可用内存块 的列表,在分配时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

额外知识

  • 分配方式的选择 取决于 Java堆内存是否规整;
  • Java堆是否规整 由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此:
    1. 使用带 Compact 过程的垃圾收集器时,采用指针碰撞;

Serial、ParNew垃圾收集器

  1. 使用基于 Mark_sweep算法的垃圾收集器时,采用空闲列表。

CMS垃圾收集器

特别注意

  • 对象创建在虚拟机中是非常频繁的操作,即使仅仅修改一个指针所指向的位置,在并发情况下也会引起线程不安全

如,正在给对象A分配内存,指针还没有来得及修改,对象B又同时使用了原来的指针来分配内存

所以,给对象分配内存会存在线程不安全的问题。

解决 线程不安全 有两种方案:

  1. 同步处理分配内存空间的行为

虚拟机采用 CAS + 失败重试的方式 保证更新操作的原子性

  1. 把内存分配行为 按照线程 划分在不同的内存空间进行
  1. 即每个线程在 Java堆中预先分配一小块内存(本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation BufferTLAB)),哪个线程要分配内存,就在哪个线程的TLAB上分配,只有TLAB用完并分配新的TLAB时才需要同步锁。
  2. 虚拟机是否使用TLAB,可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

步骤3: 将内存空间初始化为零值

内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间初始化为零(不包括对象头)

  1. 保证了对象的实例字段在使用时可不赋初始值就直接使用(对应值 = 0)
  2. 如使用本地线程分配缓冲(TLAB),这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。

步骤4: 对对象进行必要的设置

如,设置 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的对象头中


  • 至此,从 Java 虚拟机的角度来看,一个新的 Java对象创建完毕
  • 但从 Java 程序开发来说,对象创建才刚开始,需要进行一些初始化操作。

1.3 总结

下面用一张图总结 Java对象创建的过程

示意图

2. 对象的内存布局

  • 问题:在 Java 对象创建后,到底是如何被存储在Java内存里的呢?
  • 答:在Java虚拟机(HotSpot)中,对象在 Java 内存中的 存储布局 可分为三块:
    1. 对象头 存储区域
    2. 实例数据 存储区域
    3. 对齐填充 存储区域
内存布局

下面我会详细说明每一块区域。

2.1 对象头 区域

此处存储的信息包括两部分:

  • 对象自身的运行时数据(Mark Word
  1. 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
  2. 该部分数据被设计成1个 非固定的数据结构 以便在极小的空间存储尽量多的信息(会根据对象状态复用存储空间)
  • 对象类型指针
  1. 即对象指向它的类元数据的指针
  2. 虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例

特别注意

如果对象 是 数组,那么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对象的大小,但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。


2.2 实例数据 区域

  • 存储的信息:对象真正有效的信息

即代码中定义的字段内容

  • 注:这部分数据的存储顺序会受到虚拟机分配参数(FieldAllocationStyle)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如下:
longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oop(Ordinary Object Pointers)
// 从分配策略中可以看出,相同宽度的字段总是被分配到一起
// 在满足这个前提的条件下,父类中定义的变量会出现在子类之前

CompactFields = true;
// 如果 CompactFields 参数值为true,那么子类之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 区域

  • 存储的信息:占位符

占位作用

  • 因为对象的大小必须是8字节的整数倍
  • 而因HotSpot VM的要求对象起始地址必须是8字节的整数倍,且对象头部分正好是8字节的倍数。
  • 因此,当对象实例数据部分没有对齐时(即对象的大小不是8字节的整数倍),就需要通过对齐填充来补全。

2.4 总结

示意图

3. 对象的访问定位

  • 问:建立对象后,该如何访问对象呢?

实际上需访问的是 对象类型数据 & 对象实例数据

  • 答:Java程序 通过 栈上的引用类型数据(reference) 来访问Java堆上的对象

由于引用类型数据(reference)在 Java虚拟机中只规定了一个指向对象的引用,但没定义该引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置

所以对象访问方式取决于虚拟机实现。目前主流的对象访问方式有两种:

  • 句柄 访问
  • 直接指针 访问

具体请看如下介绍:

示意图

4. 总结

示意图

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