• 对象的创建
  • 类加载
  • 分配内存
    • 内存分配的两种方式
    • 内存分配并发问题
  • 初始化零值
  • 设置对象头
  • 执行 init 方法
• 对象的内存布局
• 对象的访问定位
  • 句柄
  • 直接指针

HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局和访问的全过程。

对象的创建

类加载

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这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、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。

分配内存

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。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，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。

分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，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。

内存分配的两种方式

• 指针碰撞

  • 适用场合：堆内存规整（即没有内存碎片）的情况下。

  • 原理：用过的内存全部整合到一边，没有用过的内存放在另一边，中间有一个分界指针，只需要向着没用过的内存方向将该指针移动对象内存大小位置即可。

  • 使用该分配方式的 GC 收集器：Serial, ParNew

• 空闲列表

  • 适用场合：堆内存不规整的情况下。

  • 原理：虚拟机会维护一个列表，该列表中会记录哪些内存块是可用的，在分配的时候，找一块儿足够大的内存块儿来划分给对象实例，最后更新列表记录。

  • 使用该分配方式的 GC 收集器：CMS

选择以上两种方式中的哪一种，取决于 Java 堆内存是否规整。

Java 堆内存是否规整，取决于 GC 收集器的算法是"标记-清除"，还是"标记-整理"（也称作"标记-压缩"），值得注意的是，复制算法内存也是规整的。

内存分配并发问题

在创建对象的时候有一个很重要的问题，就是线程安全，因为在实际开发过程中，创建对象是很频繁的事情，作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的。

一般情况下，虚拟机采用两种方式来保证线程安全：

• CAS + 自旋

  CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。

  虚拟机采用 CAS + 失败重试的方式，保证更新操作的原子性。

• TLAB

  为每一个线程预先在 Eden 区分配一块儿内存，JVM 在给线程中的对象分配内存时，首先在 TLAB 分配，当对象大于 TLAB 中的剩余内存，或 TLAB 的内存已用尽时，再采用上述的 CAS 进行内存分配。

初始化零值

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），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。

设置对象头

初始化零值完成之后，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，这些信息存放在对象头中。

另外，根据虚拟机当前运行状态的不同，例如，是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

执行 init 方法

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，对象在内存中的布局可以分为 3 块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

• Hotspot 虚拟机的对象头，包括两部分信息：

  • 第一部分，是用于存储对象自身的运行时数据：哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等等；

  • 另一部分，是类型指针，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。

• 实例数据部分：是对象真正存储的有效信息，也是在程序中所定义的各种类型的字段内容。

• 对齐填充部分：不是必然存在的，也没有什么特别的含义，仅仅起占位作用。

  因为 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，也说就是对象的大小必须是 8 字节的整数倍。而对象头部分正好是 8 字节的倍数（1 倍或 2 倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象，我们的 Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有：使用句柄、直接指针。

句柄

果使用句柄的话，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对象类型数据各自的具体地址信息。

直接指针

如果使用直接指针访问，reference 中存储的直接就是对象的地址。

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是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。

• 使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。

参考：

• HotSpot 虚拟机对象探秘