Carson带你学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。
• 在本文将 ，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

目录

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：

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

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

• 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

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；
• 而 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；

如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。

如 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
2. 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 Buffer ，TLAB）），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。
3. 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。

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

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

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

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：

4. 总结

• 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