深入理解JVM-hotspot虚拟机对象探秘

1.背景与大纲

　　在我们了解了java虚拟机的运行时数据区后，我们大概知道了虚拟机内存的概况，但是我们还是不清楚具体怎么存放的访问的；

　　接下来，我们将深入探讨HotSport虚拟机在java堆中对象的分配、布局、访问的全过程。

2.对象创建

　　

　　1.类加载：当遇到new指令时，先判断这个类是否被加载、解析、初始化过，如果没有，先执行相应类的加载过程（后面会详细分析这个过程）。

　　2.分配内存：

　　如果Java堆内存是规整连续的，采用“指针碰撞”的分配方式，

　　

　　如果是不连续规整的，采用“空闲列表”分配方式。如下图：灰色表示已使用，数字表示可用

　　

　　内存是否规整取决于垃圾收集器是否带有压缩整理功能。

　　Serial，ParNew等带有Compact过程的收集器，采用的分配算法是“指针碰撞”。

　　而CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器，通常采用“空闲列表”分配方式。

　　线程安全问题：即便是修改指针指向位置，A\B两个线程有可能会指向同一个地址

　　

　　解决方案：
　　a.同步锁：
　　b.TLAB:本地线程分配缓冲，把内存的分配动作按照线程划分在不同的空间进行
　　等TLAB用完分配新的TLAB时，才需要同步锁
　　虚拟机是否使用TLAB,可以通过-XX:+/UseTLAB参数设定

　　

　　.对象初始化为零对象：

　　a.如果使用的是TLAB，这一步可以提前到TLAB分配的时候进行
　　b.作用：保证了实例字段在java代码中可以不赋初始值就可以直接使用

　　.对象头进行设置，
　　包括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。

　　5.java程序初始化，最后执行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生产出来。

3.对象内存布局　　

　　

　　对象内存布局分为三块区域

3.1.对象头（Header）

　　对象头主要包括：运行时数据、类型指针

3.1.1.运行时数据

　　对象头，存储对象自身的运行时数据，如哈希码、对象的GC分代年龄、锁状态标志、偏向线程ID、偏向时间戳，
　　1.这部分数据的长度在32位和64位虚拟机中，分别为32bit和64bit。
　　2.官方称其为：Mark Word
　　3.存储的运行时数据过多（超出32bit、64bit）
　　4.Mark Word被设计成为一个非固定数据结构，以便在极小的空间内存存储尽量多的信息

　　

　　5.根据对象的状态复用自己的存储空间

3.1.2.类型指针

　　另一个部分是类型指针
　　1.定义：对象指向它的类元数据的指针
　　2.作用：虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例
　　3.但是：并不是所有的虚拟机实现都必须在对象上保留类型指针
　　4.结论：查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身（下一节详细讲）

3.1.3.特例

　　另外，如果对象是java数组
　　1.对象头必须有一块用于记录数组长度的数据
　　2.原因：普通java对象的元数据信息可以确定java对象的大小
　　3.但是，从数组的元数据中却无法确定数组的大小

3.2.实例数据（Instance Data）

　　1.存储内容：是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容
　　2.存储范围：无论是父类还是子类都要记录
　　3.存储顺序：存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（fieldsAllocationStyle）和字段定义顺序的影响
　　4.默认分配策略顺序：按字节由大到小（即由宽到窄），
　　longs/doubles->ints->shorts/chars->bytes/booleans->oops(Ordinary Object Pointers)普通对象指针
　　5.在满足分配策略这个前提条件下，父类中定义的变量会出现在子类之前
　　6.如果CompactFields参数值为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

3.3.对齐补充（Padding）

　　1.作用：对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。
　　2.原因：由于HotSpot VM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，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。
　　3.解决：而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者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。

4.对象的访问定位

　　

　　对象的访问定位
　　1.Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。
　　2.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，
　　3.并没有定义这个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，
　　4.所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。
　　5.目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
　　6.总结：通过reference数据来定位具体对象，但reference只规定了对象的引用，并没有提供具体实现

　　

4.1.句柄方式

　　1.Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，
　　2.reference中存储的就是对象的句柄地址，
　　3.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。

　　优点：
　　使用句柄来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。

4.2.直接指针方式

　　1.Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，
　　2.而reference中存储的直接就是对象地址。

　　优点：
　　使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，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非常可观的执行成本。

4.3.案例

　　虚拟机Sun HotSpot 使用的是直接指针的方式！