JVM内存模型(二)--- Java堆(GC堆)中对象的创建布局和访问

Java的技术体系包括

  • 支持Java程序运行的虚拟机(JVM)
  • 提供接口支持的Java API
  • Java 编程语言
  • 第三方Java框架(如Spring等)

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙,墙外面的人想进去,墙里面的人想出来。


当我们了解了Java虚拟机的内存模型之后,便知道了虚拟机内存总共分为几个部分,每一部分对应什么样的功能,有什么特征,以及生命周期是怎么样的。那回归到我们日常的开发工作中,我们最常用的便是在内存中创建一个对象,那一个当我们new一个对象的时候,虚拟机是如何在内存中创建对象,这个对象在内存中是以怎样的结构存放,又是如何访问这个对象的呢?

对象的创建

  1. 当虚拟机遇到new指令的时候,首先会在方法区常量池中检查是否能够找到一个该类的符号引用,并检查这个符号引用代表的类是否已经被加载,解析和初始化过。如果没有,必须先执行类加载的过程。
  2. 类加载检查通过后,会为新生对象分配内存。对象的所需要的内存大小,在类加载完成之后便可完全确定,为对象分配内存空间实际上就是把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来的过程。有两种方式
    • 指针碰撞,指针向空闲空间移动一段大小等于对象大小的距离
    • 空闲列表,在列表中找出一块足够大的空间划分给对象,并更新记录列表
  3. 为了保证分配空间时的线程安全,两种方式,一是采用同步锁处理,二是采用TLAB(本地线程分配缓冲),也就是每个线程在Java堆中预先分配一小块内存,哪个线程需要分配内存,就在哪个线程的TLAB上分配,互不影响
  4. 内存分配完之后,要将分配到的内存空间全部初始化为零值
  5. 虚拟机对对象惊醒必要的设置,即完成对象头的信息。到此虚拟机视角的对象已经完成
  6. 从程序开发的视角,init方法执行之后,一个真正可用的对象才算创建完成
Java对象创建流程图

对象的内存布局

一个Java对象在虚拟机内存中的存储结构,可以分为三个部分:

  • 对象头(Header)
  • 实例数据(Instance Data)
  • 对其填充(Padding)

对象头

对象头就是通俗解释就是告诉我们这个对象究竟是谁。它包括两部分信息,

  1. 存储对象自身的运行时数据,如哈希码,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。数据长度为32或者64位,被成为“Mark Word”。改区域是一个非固定数据结构的区域,当对象处于不同状态时,存储的内容表示不同的含义。
  2. 类型指针。即指向它的类元数据的指针。虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是程序中定义的各种变量的实际内容。存储顺序收到虚拟机分配策略参数和Java源码中定义顺序的影响。

对齐填充

这部分不是必须存在的,仅仅起到占位符的作用。因为虚拟机要求对象的大小必须是8字节的整数倍,而对象头正好是8字节的1倍或者2倍,因此当实例数据没有对齐的时候,就需要通过对齐填充来补充。

对象的内存布局

对象的访问

建立对象是为了使用对象,虚拟机需要通过栈中的reference来操作堆上的具体对象。通过reference引用访问对象的方式可以分为两种

  1. 使用句柄访问。堆中会划分出一块内存作为局句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,句柄中包含了对象的实例数据和类型数据的地址信息。这种方式的好处在于,在对象被移动时,只会改变句柄中的实例数据指针,reference本身不需要修改。
Java内存对象句柄访问
  1. 使用直接指针访问。reference引用存储的是堆中对象地址。这时就需要在对象的对象头中存放类型数据的地址了。这种方式的好处在于速度快,因为节约了一次指针定位的开销。对象的访问在Java中非常频繁,因此累积起来节约的开销就是非常可观的执行成本了。
Java内存对象直接访问
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