java中的对象

一、对象的创建过程

从字节码上看对象的创建过程

public class Person {private int age;private String name;public Person() {this.age = 20;this.name = "ocean";}public static void main(String[] args) {Person person = new Person();}
}

查看字节码，这里字节码分两个方法的字节码，一个是 main 一个是init

上面可以看出，源码中的new一个对象的操作，对应着多条字节码指令；证明对象的创建分为好几个过程。
总结下来，对象的创建过程如下：

1.1 检查加载

首先检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用（符号引用 ：以一组符号来描述所引用的目标），并且检查类是否已经被加载、 解析和初始化过。

1.2 分配内存

虚拟机将为新生对象分配内存。为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来，主要有两种分配内存的方式：

• 指针碰撞
• 空闲列表

指针碰撞

如果 Java 堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”。

空闲列表

如果 Java 堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候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，这种分配方式称为“空闲列表”。

选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。 如果是 Serial、ParNew 等带有压缩的整理的垃圾回收器的话，系统采用的是指针碰撞，既简单又高效。如果是使用 CMS 这种不带压缩（整理）的垃圾回收器的话，理论上只能采用较复杂的空闲列表的方式

并发安全

除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象 A 分配内存，指针还没来得及修改，对象 B 又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。
解决这个问题主要依靠以下两种解决方案：

CAS:
对分配内存空间的动作进行同步处理——虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性

TLAB

内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在 Java 堆中预先分配一小块私有内存，也就是本地线程分配缓冲（ ThreadLocal Allocation Buffer,TLAB ），JVM 在线程初始化时，同时也会申请一块指定大小的内存，只给当前线程使用，这样每个线程都单独拥有一个Buffer ，如果需要分配内存，就在自己的 Buffer 上分配，这样就不存在竞争的情况，可以大大提升分配效率，当 Buffer 容量不够的时候，再重新从 Eden区域申请一块继续使用。

涉及到的参数： -XX:+UseTLAB ，允许在年轻代空间中使用线程本地分配块（ TLAB ）。默认情况下启用此选项。要禁用 TLAB ，请指定 -XX:-UseTLAB

1.3 内存空间初始化

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为默认值(如int 值为 0， boolean 值为 false 等等)。这一步操作保证了对象 的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的默认值。
所以在创建对象的过程中， 对象的成员属性存在着一个中间状态值，就是默认值。

1.4 设置对象头

虚拟机要对对象头（ object header ）进行必要的设置，例如markword ，这个对象是哪个类的实例、数字的长度等等这些信息！详细情况看下面的分析

1.5 对象初始化

上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚刚开始，所有的字段都还为默认值。所以，一般来说，执行 new 指令之后会接着把对象按照程序员的意愿进行初始化(构造方法)，执行 init 函数，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

二、对象内存布局

2.1 布局解析

结合JVM规范，以及hotspot的实现，看下对象的内存布局： HotSpot Glossary of

一个对象在内存的的布局如下：

添加对齐填充是为了保证对象的总大小是8的整数倍个字节。

类型指针占4个字节是因为默认开启了指针压缩，如果不开启指针压缩，则占8个字节，通过如下命令行参数可查看：java -XX:+PrintCommandLineFlags -version

其中： -XX:+UseCompressedClassPointers 表明开启了类型指针压缩，另外 -XX:+UseCompressedOops 则表明开启了普通对象指针压缩， oops:ordinary object pointer

什么叫普通对象指针压缩？比如对象A中有一个对象B的引用， 这个引用就是一个指针。

2.2 JOL使用

JOL：java object layout，java对象布局，是openjdk提供的一个工具,通过该工具可以打印对象的布局情况
引入依赖：

<dependency><groupId>org.openjdk.jol</groupId><artifactId>jol-core</artifactId><version>0.9</version><!--<scope>provided</scope>-->
</dependency>

代码：

public class KnowJOL {public static void main(String[] args) {Object o = new Object();// 打印对象的内存布局System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());User user = new User(18, "ts");System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());Coupons coupons = new Coupons(100L);System.out.println(ClassLayout.parseInstance(coupons).toPrintable());int[] arr = new int[]{1, 2, 3};System.out.println(ClassLayout.parseInstance(arr).toPrintable());User[] users = new User[3];System.out.println(ClassLayout.parseInstance(users).toPrintable());}static class User {private int age;private String name;public User() {}public User(int age, String name) {this.age = age;this.name = name;}}static class Coupons {private long id;public Coupons() {}public Coupons(long id) {this.id = id;}}
}

打印摘选如下：

三、对象的访问定位

创建对象是为了使用对象，Java 程序需要通过栈上的 reference数据来操作堆上的具体对象。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种

3.1 句柄访问

句柄方式：栈指针指向堆里的一个句柄的地址，这个句柄再定义俩指针分别指向类型和实例。
好处是：垃圾回收时遇到对象内存地址的移动只需要修改句柄即可，不需要修改栈指针
弊端是：寻址时多了一次操作。

3.2 直接指针

直接地址：栈指针指向的就是实例本身的地址，在实例里封装一个指针指向它自己的类型。
很显然，垃圾回收要移动对象时要改栈里的地址值，但是它减少了一次寻址操作。

hostspot使用的是直接地址方式

四、对象的分配策略

关于对象在内存中的分配，其整体流程如下：

4.1 栈上分配

在 JVM 开启逃逸分析后，如果对象没有逃逸，结合对象的大小等因素决定对象分配在栈上。其本质是Java虚拟机提供的一项优化技术。

逃逸分析

JVM会分析对象的动态作用域，当一个对象在方法中定义后，它可能被外部所引用，称之为逃逸。比如：通过调用参数传递到其他方法中，称之为方法逃逸；
赋值给其他线程中访问的变量，称之为线程逃逸。 从不逃逸到方法逃逸到线程逃逸，称之为对象由低到高的不同逃逸程度。

开启逃逸分析需要配置以下参数：XX:+DoEscapeAnalysis，默认开启。

如果开启逃逸分析，那么即时编译器（ Just-in-time Compilation，JIT ）在运行期就可以对代码做如下优化：

• 同步锁消除：如果确定一个对象不会逃逸出线程，即对象被发现只能被一个线程访问到，无法被其它线程访问到，那该对象的读写就不会存在竞争，对这个变量的同步锁就可以消除掉。

public void f() {Object obj = new Object();synchronized (obj) {System.out.println(obj);}
}

使用synchronized时，如果JIT经过逃逸分析之后发现并无线程安全问题的话，就会做锁消除（注意时在运行时）

public void f() {Object obj = new Object();System.out.println(obj);
}

锁消除在jdk1.8默认开启，可通过如下参数配置：
-XX:+EliminateLocks ：开启锁消除，锁消除基于逃逸分析基础之上，开启锁消除必须开启逃逸分析
-XX:-EliminateLocks ： 关闭锁消除

• 分离对象或标量替换。Java虚拟机中的原始数据类型（int，long等数值类型以及reference类型等）都不能再进一步分解，它们就可以称为标量。相对的，如果一个数据可以继续分解，那它称为聚合量，Java中最典型的聚合量是对象。
  如果逃逸分析证明一个对象不会被外部访问，并且这个对象是可分解的，那程序真正执行的时候将可能不创建这个对象，而改为直接创建它的若干个被这个方法使用到的成员变量来代替。拆散后的变量便可以被单独分析与优化， 可以各自分别在栈帧或寄存器上分配空间，原本的对象就无需整体分配空间了。

static void scalar() {Point point = new Point(1, 2);System.out.println(point);}static class Point {private int x;private int y;@Overridepublic String toString() {return "Point{" +"x=" + x +", y=" + y +'}';}Point(int x, int y) {this.x = x;this.y = y;}}

以上代码中， point 对象并没有逃逸出 scalar 方法，并且 point 对象是可以拆解成标量的。那么在运行时 JIT 就会不会直接创建 Point 对象，而是直使用两个标量 int x ，int y 来替代 Point 对象，如下

// -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateAllocations
static void scalar() {int x = 1;int y = 2;System.out.println("point.x="+x+"; point.y="+y);
}

标量替换需要添加以下 VM 参数
-XX:+EliminateAllocations ，但前提是开启逃逸分析。并由此可见标量替换为栈上分配提供了很好的基础。
-XX:+PrintEliminateAllocations 查看标量替换情况（Server VM非Product版本支持）

• 将堆分配转化为栈分配：栈上分配就是把方法中的变量和对象分配到栈上，方法执行完后栈自动销毁，而不需要垃圾回收的介入，从而提高系统性能。栈上分配基于逃逸分析和标量替换。栈上分配有以下特点
  • 可以在函数调用结束后自行销毁对象，不需要垃圾回收器的介入，有效避免垃圾回收带来的负面影响
  • 栈上分配速度快，提高系统性能
  • 栈上分配的局限性： 栈空间小，对于大对象无法实现栈上分配

public class StackAlloc {public static void main(String[] args) throws Exception {stackAlloc();}/*** -Xms220M -Xmx220M -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateAllocations -XX:+PrintGC** @throws Exception*/static void stackAlloc() throws Exception {long start = System.currentTimeMillis();for (int i = 0; i < 10000000; i++) {//创建1000万个对象，内存占：10000000 * 24 约228Mallocate();}System.out.println((System.currentTimeMillis() - start) + " ms");Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);}//逃逸分析（不会逃逸出方法）static void allocate() {//这个escape引用没有出去，也没有其他方法使用Escape escape = new Escape(2021, 100D);
//        bom(escape);}static void bom(Escape e) {Escape es = e;e = new Escape(2022, 250d);}/*** 对象头12字节* 对象实例12字节* 一共24字节*/static class Escape {int id; // 4字节double score; // 8字节public Escape(int id, double score) {this.id = id;this.score = score;}}
}

运行以上代码可以观察到：启用了逃逸分析，可以减少堆内存的使用和减少GC。

4.2 优先分配到Eden区

大多数情况下，对象在新生代 Eden 区中分配。

public class HeapAlloc {public static void main(String[] args) throws Exception {test1();}/*** 大多数情况下对象优先Eden分配，空间不够触发 Minor GC* VM参数：-Xms30M -Xmx30M -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails*/static void test1() throws Exception {//1、创建一个普通对象 优先分配在 eden 区Eden e = new Eden(1, "alai");//2、空间不够分配 触发 Minor GC   eden 大概8Mint num = 349525;for (int i = 0; i < num - 1; i++) { // 内存占：349525 * 24 约8 MEden ed = new Eden(i, "ocean" + i);}/*** 3、大对象直接进入老年代 老年代 20M*/byte[] arr = new byte[1024 * 1024 * 10];//数组长度是10, 485, 760Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);}// 一个 Eden 对象占24个字节static class Eden {int id;String name;Eden(int id, String name) {this.id = id;this.name = name;}}
}

运行以上代码，通过HSDB工具，可以查看到：

• 大多数情况下，对象优先在eden区分配
• 当Eden区没有足够的空间时，虚拟机发起一次MinorGC,对象的数量比创建的个数少，说明被回收了

使用：-XX:+UseTLAB

使用线程本地分配缓冲会加快在 Eden 中的分配效率，测试如下，查看控制台时间的消耗情况

// 一个 Eden 对象占24个字节static class Eden {int id;String name;Eden(int id, String name) {this.id = id;this.name = name;}}/*** 在 eden 分配时是使用TLAB 性能更高* VM参数：-Xms30M -Xmx30M -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:+UseTLAB* <p>* 不使用线程本地分配缓冲则性能有所下降：-XX:-UseTLAB*/static void test2() {long start = System.currentTimeMillis();int num = 10000000;for (int i = 0; i < num; i++) { // 内存占：10000000 * 24 约228 MEden ed = new Eden(i, "ocean" + i);}System.out.println((System.currentTimeMillis() -start) + " ms");}

4.3 大对象直接进入老年代

大对象就是指需要大量连续内存空间的 Java 对象，最典型的大对象便是那种很长的字符串，或者元素数量很庞大的数组。
大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个不折不扣的坏消息，比遇到一个大对象更加坏的消息就是遇到一群“朝生夕灭”的“短命大对象”，我们写程序的时候应注意避免。
在 Java 虚拟机中要避免大对象的原因是，在分配空间时，它容易导致内存明明还有不少空间时就提前触发垃圾收集，以获取足够的连续空间才能安置好它们，而当复制对象时，大对象就意味着高额的内存复制开销。
HotSpot 虚拟机提供了 -XX:PretenureSizeThreshold 参数，指定大于该设置值的对象直接在老年代分配，这样做的目的：1.避免大量内存复制,2.避免提前进行垃圾回收，明明内存有空间进行分配。
-XX:PretenureSizeThreshold 参数只对 Serial 和 ParNew 两款收集器有效。 -XX:PretenureSizeThreshold=4m

4.3 长期存活的对象进入老年代

HotSpot 虚拟机中多数收集器都采用了分代收集来管理堆内存，那内存回收时就必须能决策哪些存活对象应当放在新生代，哪些存活对象放在老年代中。 为做到这点，虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄(Age)计数器，存储在对象头中。
有以下几点要注意：

1. 如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然存活，并且能被Survivor 容纳的话，将被移动到 Survivor 空间中，并将对象年龄设为 1，对象在 Survivor 区中每熬过一次 Minor GC ，年龄就增加 1，当它的年龄增加到一定程度(并发的垃圾回收器默认为 15),CMS 是 6 时，就会被晋升到老年代中。
2. 可以通过参数： -XX:MaxTenuringThreshold=threshold 调整

3. 为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了 MaxTenuringThreshold 才能晋升老年代，如果在Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold 中要求的年龄。

4.4 空间分配担保

• 在发生 Minor GC 之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么 Minor GC 可以确保是安全的。
• 如果不成立，则虚拟机会查看 HandlePromotionFailure 设置值是否允许担保失败。如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次 MinorGC ，尽管这次 Minor GC 是有风险的，如果担保失败则会进行一次 Full GC；如果小于，或者 HandlePromotionFailure 设置不允许冒险，那这时也要改为进行一次 Full GC 。