Java对象的结构与对象在内存中的结构

对象的创建过程

当我们在Java中使用new这个指令创建一个对象的时候，对象的创建到底经过了什么样的一个过程呢？

下面使用伪代码来表示实例化一个对象：

Class A {
	int m = 8;
}

A a = new A();

这段代码在堆内存中创建了一个对象，其具体的执行汇编码主要是以下几步：

0 new #2 <A>
3 dup
4 invokespecial #3 <A.<init>>
7 astore_1
8 return

其中核心步骤有：

• 0 new #2 <A>：申请内存空间，开辟堆内存。
• 4 invokespecial #3 <A.<init>>：执行A的初始化方法，即构造方法。
• 7 astore_1：将变量a和新创建的对象建立关联（引用指向内存）。

这其中可以发现，当我们在堆内存中开辟内存时，还没有执行A的构造函数，也就是说此时内存中的相关对象并没有进行赋值操作。这就叫做对象的半初始化，以前文的代码为例，当执行到创建对象，开辟内存空间的这一步操作时，a对象的内存空间中虽然会出现一个m对象，但由于还没有执行类的构造函数，这个对象就不会被赋值，默认值为0。

整个对象创建过程的流程图如下图：

在这里插入图片描述

DCL与volatile

了解了对象的创建过程，下面举一个与对象创建步骤息息相关的操作例子。

在单例模式中，有一个很常用的单例模式叫做“懒汉式”单例模式，也叫作双重检查锁单例模式，英文缩写为DCL。

早期JVM中同步开销巨大，为了降低单例模式中同步的开销，于是优化出了这种只对核心代码块使用锁来降低加锁开销。其代码如下：

public class DoubleCheckedSingle {
	// 私有实例对象
	private volatile static DoubleCheckedSingle instance;
	// 私有构造函数，防止直接new
	private DoubleCheckedSingle() {}
	// 获取单例对象
	public static DoubleCheckedSingle getInstance() {
		// 第一次检测
		if (instance == null) {
			// 添加同步锁，防止多个线程同时实例
			synchronized (DoubleCheckedSingle.class) {
				if (instance == null) {
					instace = new DoubleCheckedSingle();
				}
			}
		}
		return instance;
	}
}

在DCL单例中，对私有的成员变量使用了volatile关键字进行了修饰，这一步是DCL线程安全的关键。

volatile关键字主要有两个作用：一是可以用来对数据进行轻量级线程同步，二是可以禁止指令重排序。

指令重排序是什么呢？就是CPU可能并不会按照代码指定的顺序来运行你的代码，如果两个指令之间没有因果关系，CPU可能会打乱执行顺序，比如前文中的对象初始化过程，如果发生了指令重排序就会变成下面这种顺序：

• 0 new #2 <A>：申请内存空间，开辟堆内存。
• 7 astore_1：将变量a和新创建的对象建立关联（引用指向内存）。
• 4 invokespecial #3 <A.<init>>：执行A的初始化方法，即构造方法。

其执行过程如下图所示，会先将变量与对象完成连接，然后才执行构造方法为其赋值：

在这里插入图片描述

假设我们没有使用volatile关键字，当两个线程同时想要获取单例时，可能会发生什么？根据上一节我们讲述的对象创建的步骤，如果没有volatile关键字，可能会由于指令重排序，导致发生B线程拿到A线程半初始化的对象。其过程如下：

在这里插入图片描述

所以，在DCL单例模式中，volatile是不可缺少的一个关键修饰，它保证了多线程情况下单例模式的安全。

对象在堆内存中的存储布局

这里的对象指的是普通对象，一个对象在内存中的存储布局分为三个部分：对象头（Object Header）、实例数据（instance data）和对齐（padding）。其中，对象头又分为markword和class pointer。其内存布局如下图所示：

在这里插入图片描述

对象头(Object Header)里具体包括什么

• markword：markword是对象头的第一个部分，一共8个字节，其中主要存储了三部分内容：锁信息、GC信息和HashCode。
  • 锁信息：给对象上锁，实际上就是修改对象的markword中对应的值。
  • GC信息：markword中有4位用来存储对象的年龄信息

  

  在这里插入图片描述

• class pointer：指向对象的类信息的指针，64位虚拟机默认使用压缩指针，占4个字节（64位正常是8个字节）。当内存大小超过32G，指针将不再压缩，大小变为8个字节。

对象在内存中是怎么定位的

在HotSpot中，对象使用直接指针的方式进行定位，即变量直接指向对象实例在堆中的地址：

在这里插入图片描述

在对象定位的方法中，还有另外一种方法为——句柄方式：变量指向内存中的一组指针，这一组指针分别指向对象实例地址和对象类型信息等。其结构图如下：

在这里插入图片描述

句柄方式虽然没有直接指针寻址快，但是句柄方式有一个优点：在GC回收时，如果产生了整理或者复制等动作，对象的内存地址会发生改变，句柄方式不需要改变a的值，因为其永远指向句柄池。

对象在内存中的空间分配过程

对象从new出来开始，到被GC回收，其在内存中的空间分配过程主要如下：

• new一个新对象的时候，首先JVM判断该对象是否能进行栈上分配。判断是否能栈上分配需要通过逃逸分析和标量替换。
  • 如果对象进行了栈上分配，当方法执行结束，栈帧弹出的时候，对象的生命周期就结束了，不需要GC的回收。
• 如果该对象无法进行栈上分配，JVM就判断该对象是否是大对象，如果该对象大小超过阈值，就会直接分配进老年代的内存空间中。
  • 如果对象直接进入老年代，那么只能在Marjor GC或者Full GC时才可能被清理，生命周期结束。
• 如果该对象也不是特别大，那么该对象就会按照正常情况被分配进TLAB（线程本地缓存区）中，当然TLAB是位于年轻代中的Eden区中，每一个线程都有自己的一块私有区域。如果TLAB被禁用或者装不下，就直接放进Eden区中。
  • Eden区中的对象大部分是朝生夕灭的，在经历Minor GC或者Full GC之后，被清理的对象生命周期就结束了。Eden区中幸存的对象年龄会+1，然后被放进一个surivor区中，如果surivor区放不下，放不下的对象就会由担保机制转移至老年代中。
  • 当年轻代幸存对象的年龄达到阈值，就会被转移至老年代。

整个过程的流程图如下：

在这里插入图片描述