【JVM篇】自动内存管理——HotSpot虚拟机对象探秘

目录

前言

一、对象的创建

二、对象的内存布局

三、对象的访问定位

总结

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前言

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  介绍完Java虚拟机的运行时数据区域之后，我们大致明白了Java虚拟机内存模型的概况，但可能会好奇其中的一些细节性的问题，譬如它们是如何创建、如何布局以及如何访问的。对于这样涉及细节的问题，必须把讨论范围限定在具体的虚拟机和集中在某一个内存区域上才有意义。基于实用优先的原则，我们将以最常用的虚拟机HotSpot和最常用的内存区域Java堆为例，一起探讨一下HotSpot虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

一、对象的创建

  在语言层面上，创建对象通常（例外：复制、反序列化）仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象（文中讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样一个过程呢？ 当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将去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，并且检查这个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，那必须先执行相应的类加载过程。在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定​，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。

  对于内存的分配，存在碰撞指针和空闲列表这两种分配方式。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空间压缩整理(Compact)的能力决定。

碰撞指针：假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，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方向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”(Bump The Pointer)。

空闲列表：如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，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”(Free List)。

  除了如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题：对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使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。对于并发情况下的线程不安全，有以下两种解决方案：

• 方案一：对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
• 方案二：把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内存，称为本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer，TLAB)，哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。

  内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。

零值的概念：在Java中，零值是指各种基本数据类型在声明变量时的默认初始值。例如，整数类型的零值为0，浮点数类型的零值为0.0。对于引用类型（如对象、数组等），零值是null，表示没有指向任何对象的引用。

  接下来，Java虚拟机还要对对象进行必要的设置，例如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（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才计算）​、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头(Object Header)之中。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

  在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。但是从Java程序的视角看来，对象创建才刚刚开始——构造函数，即Class文件中的<init>()方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。new指令之后会接着执行<init>()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

二、对象的内存布局

  在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

  HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。第一类是用于存储对象自身的运行时数据，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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，官方称它为“MarkWord”​。Mark Word被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

  实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面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字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle参数）和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(OrdinaryObject Pointers，OOPs，即普通对象指针)，从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，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。如果HotSpot虚拟机的+XX：CompactFields参数值为true（默认就为true）​，那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。

  对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot虚拟机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，换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数（1倍或者2倍）​，因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。为什么是8字节的整数倍，AI是这么回答的：

三、对象的访问定位

  对象创建完之后就是为了使用对象，JVM会通过栈上的reference数据操作堆上的具体对象。reference类型在《Java虚拟机规范中》只规定是他是一个对象的引用。对象的访问方式也是有具体的虚拟机实现的，可以通过句柄和直接指针这两种方式访问对象。

  如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能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型数据各自具体的地址信息，其结构如下图所示：

  如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销，其结构如下图所示：

补充：在Java中，对象类型数据和对象实例数据是两个不同的概念。对象类型数据（也称为元数据或类信息）存储在方法区中，包括对象的类型、父类等信息。而对象实例数据则存储在堆中，包含对象的所有成员变量，即类的属性。

有关方法区和堆的说明，可参考：【JVM篇】自动内存管理——运行时数据区-CSDN博客

  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本身不需要被修改。使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本。HotSpot主要使用直接指针访问对象，当然此虚拟机也有例外的情况，如果使用了Shenandoah收集器的话会有一次额外的转发。

总结

  本文探讨了HotSpot虚拟机在Java堆中对象的创建、内存布局以及访问定位的全过程。我们了解到，对象的创建涉及类加载检查、内存分配、初始化等步骤，其中内存分配方式根据Java堆的规整性选择碰撞指针或空闲列表。对象的内存布局包括对象头、实例数据和对齐填充三部分，其中对象头存储运行时数据和类型指针，实例数据包含对象的字段内容，而对齐填充用于确保对象大小是8字节的整数倍。对象的访问定位可以通过句柄或直接指针两种方式实现，HotSpot虚拟机主要使用直接指针访问对象以提高访问速度。深入理解这些机制，我们可以更好地优化Java程序的性能和排查内存相关问题。

参考资料：深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第3版） - 2.3 HotSpot虚拟机对象探秘 - 周志明 - 微信读书 (qq.com)