《深入理解Java虚拟机》读书笔记 - Java对象

此篇为《深入理解Java虚拟机》第二章2.3部分的读书笔记

对象的创建

Java 是一门面向对象的编程语言，在 Java 程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上，创建对象通常仅仅是一个 new 关键字而已，而在虚拟机中，对象（仅限于普通 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？

  1. 虚拟机遇到一条 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经被加载、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。
  2. 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以完全确定，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。具体堆的内存如何划分以及怎么分配堆中的内存者这取决于虚拟机所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。
  3. 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分配内存的情况。解决这个问题有两种方案：
    1. 一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用 CAS + 失败重试的方式来保证更新操作的原子性；
    2. 另一种把内存分配动作按照线程划分在不同的空间中进行，即每个线程在 Java 堆中预先分配一小块内存，称之为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。哪个线程需要分配内存，就在哪个线程的 TLAB 上分配，只有 TLAB 用完并分配新的 TLAB 时，才需要同步锁定。
  4. 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零值（不包括对象头），如果使用了 TLAB，这一工作过程也可以提前至 TLAB 分配时进行。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零值。
  5. 接下来，虚拟机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、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息都存放在对象的对象头之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，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，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚刚开始——<init>方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以，一般来说，执行 new 指令之后会接着执行<init>方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

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个区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对其补充（Padding）。

  • 对象头。对象头可以分为以下两部分信息：

    • 用于存储对象自身运行时数据，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。
    • 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。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 对象的元数据信息来确定 Java 对象的大小，但是从数据的元数据中却无法确定数组的大小。


  • 实例数据

    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，都需要记录下来。

  • 对齐补充

    对齐补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 VM 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，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。

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 renference 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，所以对象访问的方式也是取决于虚拟机实现而决定的。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型数据各自的具体地址信息。其最大好处在于 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象移动（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 refernece 本身不需要修改。


  • 如果使用直接指针访问（HotSpot 采取方式），那么 Java 堆对象的布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象地址。其最大好处在于速度相较于句柄访问更快，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。