1.对象的创建
Java是一门面向对象的编程语言,Java程序在运行过程中无时无刻都在对象被创建出来。在语言层面上,创建对象通常(复制、反序列化)仅仅是一个new关键字,而在虚拟机中,对象(普通的Java对象,不包括数组和Class对象等)的创建过程又是怎样的呢?大体流程如下:
1)遇到一条new指令时,先判断能否在常量池中定位到一个符号引用,并且检查符号引用代表的类是否加载、解析和初始化。如果没有,先对类进行加载。
3)类检查通过后,为对象开辟一条内存空间。
4)将分配的内存空间初始化为零值。
5)设置对象的头数据信息,例如哈希值、GC分代年龄、元数据等。
6)执行对象的初始化方法,例如static关键字修饰的方法等。
为对象开辟内存即为从Java堆中划分出来一块大小确定的空间,包括指针碰撞和修改空闲列表两种方式。假设Java堆中内存是绝对规整的,所有被使用过的内存都放在一边,空闲的内存被放在另一边,中间放着一个指针作为分界点指示器,那分配内存就仅仅是把该指针向空闲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”。
如果Java堆中的内存不是规整的,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,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,并更新列表的记录,这种分配方式称为“空闲列表”。
注意,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的能力决定。因此,当使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时,系统采用的分配算法是指针碰撞,既简单又高效;而当使用CMS这种基于清除算法的收集器时,理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。
2.对象的内存布局
在HotSpot虚拟机中,对象在堆内存中的存储布局分为三个部分:对象头、实例数据)和对齐填充。
1.对象头
HotSpot虚拟机对象的头部分包括两类信息:Mark Word及Class Pointer。Mark Word用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码、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。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。也就是说,在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁的标志位变化而变化。
对象头的第二部分是Class Pointer,及对象的类型指针,虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例(指向方法区)。
2.实例数据
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。
该部分的存储顺序会受到虚拟机的分配策略参数(-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(Ordinary Object Pointers,OOPs)。从默认的分配策略中可以看出,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(默认为true),那子类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。
3.对齐填充
对象的第三部分对齐填充并不是必须存在的,也没有特别的含义,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,也就是说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。
3.对象的访问方式
创建对象的目的就是为了后续使用该对象,不同虚拟机访问对象的方式不同,主流的有使用句柄访问和直接指针访问两种。
如果使用句柄访问,Java堆中需要单独划分出一块内存作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象的实例数据地址与类型数据地址。
如果使用直接指针访问,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,不需要多一次间接访问的开销。
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)时只需要改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要修改。使用直接指针访问的最大好处是速度快,节省了一次指针定位的时间开销。HotSpot虚拟机主要使用的就是第二种方式进行对象访问。