A10. JVM 对象

【概述】

　　首先需要了解对象在内存中的存储布局，其次需要了解对对象的访问定位。　　　　　

【对象的内存布局】

　　在 HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为 3 块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和 对齐填充（Padding）。

　　HotSpot 虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于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，这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机（为开启压缩指针）中分别为 32bit 和 64 bit，官方称它为 “Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了 32 位、64 位 Bitmap 结构所能记录的限度，但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word 被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如，在 32 位的 HotSpot 虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态下，那么 Mark Word 的 32 bit 空间中的 25 bit 用于存储对象哈希码， 4 bit 用于存储对象分代年龄，2 bit 用于存储锁状态，1 bit 固定为 0，而在其他状态下（轻量级锁定、重量级锁定、GC 标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示：

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量锁锁定
指向重量级锁的指针	10	重量级锁定
空，不需要记录信息	11	GC 标记
偏向线程 ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

　　对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个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，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。另外，如果对象是一个 Java  数组，那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 对象的元数组信息就确定 Java 对象大小的数组，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

　　接下来的实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所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，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略（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为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(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在一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。

　　第三部分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。由于 HotSpot 的自动内存管理系统要求对象其实地址必须是 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。而对象头部分正好是 8 字节的倍数，因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补充。

【对象的访问定位】

　　建立对象是为了使用对象，我们的 Java 程序需要通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。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、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

　　如果使用句柄访问的话，那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，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数据各自的具体地址信息。

　　如果使用直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何防止访问类数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象地址。

　　这两种对象访问方式各有优势，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通的行为）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。这里就主要的虚拟机 Sun HotSpot 而言，它是使用第二种方式进行对象访问的。