JVM——对象

前言

类加载后,逻辑上的方法区中便形成了一个包含类信息的class对象,但我们去使用这个类的时候,除了直接调用静态变量、静态方法等,对于成员变量以及实例方法,通常是我们在堆内存中生成一个类的实例,通过类的实例来完成调用。

创建对象实例通常(例外:复制、反序列化)仅仅是一个new关键字而已,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,类检查通过后,接下来虚拟机将为新生对象分配内存。

分配内存的方式

  1. 指针碰撞

    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”。

  2. 空闲列表

    但如果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)。

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。

分配内存的线程安全

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。解决这个问题有两种可选方案:

  1. 同步CAS

    是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;

  2. 本地线程分配缓冲

    是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。

内存分配完成后,实际上Class文件中的()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。

对象的结构

接下来,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)。

对象头

  1. Mark Word

    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“Mark Word”。

    对象需要存储的运行时数据很多,其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的最大限度,但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本,考虑到虚拟机的空间效率,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。

  2. 类型指针

    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

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。

对齐填充

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。

对象的访问定位

我们知道栈中存储引用与基本数据类型,堆中存储class对象实例。

jvm在加载class时,创建instanceKlass,表示其元数据,包括常量池、字段、方法等,存放在方法区;instanceKlass是jvm中的数据结构;

在new一个对象时,jvm创建instanceOopDesc,来表示这个对象,存放在堆区,其引用,存放在栈区;它用来表示对象的实例信息,看起来像个指针实际上是藏在指针里的对象;instanceOopDesc对应java中的对象实例;

HotSpot并不把instanceKlass暴露给Java,而会另外创建对应的instanceOopDesc来表示java.lang.Class对象,并将后者称为前者的“Java镜像”,klass持有指向oop引用(_java_mirror便是该instanceKlass对Class对象的引用);

我们通过栈中的引用定位到堆中的instanceOopDesc,又通过instanceOopDesc中的引用定位到方法区的instanceKlass。

其中栈中的引用怎么去定位到我们的实例对象,主流有两种方式:

  1. 句柄访问

    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。

  2. 指针访问

    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

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,就虚拟机HotSpot而言,它主要使用第二种方式进行对象访问。

文章目录
  1. 1. 前言
  2. 2. 分配内存的方式
  3. 3. 分配内存的线程安全
  4. 4. 对象的结构
    1. 4.1. 对象头
    2. 4.2. 实例数据
    3. 4.3. 对齐填充
  5. 5. 对象的访问定位
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