HotSpot VM对象探秘

下面我们来详细的了解一下 HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局、访问的全过程。

1. 对象的创建

下面讲述的只是普通的Java对象，不包括数组、Class对象。

先看一张概括过程的图：

Java对象创建过程图示

VM遇到new指令时：

检查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、初始化过。如果没有，先执行相应的类加载过程。类加载过程中，准备阶段给类变量赋默认值，初始化阶段执行<clinit>()，按程序员意图初始化类变量的值。
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就可完全确定，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。
- 指针碰撞（Bump the Pointer）：内存是规整的，用过的内存放在一边，空闲的内存放在另一边。分配时，指针向空闲内存空间移动一段与对象大小相等的距离。
- 空闲列表（Free List）：内存是不规整的，维护一个列表，记录哪些内存块可用，分配时，在列表中找到一块足够大的空间分给对象实例，并更新列表记录。
选用哪种分配方式由Java堆是否规整决定，Java堆是否规整由所采用的垃圾收集器是否具有压缩整理功能决定："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。

在使用Serial、ParNew等带有Compact过程的垃圾收集器时，采用的分配算法是指针碰撞；使用CMS基于Mark-Sweep算法（标记清除算法）的收集器时，分配算法通常是空闲列表。

并发下给对象分配内存时保证线程安全的方式（同时创建两个对象会出现对对象指针的竞争条件）：
- CAS+失败重试：
  
  对分配内存空间的动作进行同步处理，实际是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。即：每次不加锁而是假设没有冲突去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。
- TLAB：
  
  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），通过 -XX:+/-UseTLAB 设定。
  
  哪个线程要分配内存，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。
虚拟机将对象分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），也就是VM对非静态字段的默认初始化。如果使用TLAB，这一工作可以提前到TLAB分配时进行。
虚拟机对对象头进行必要的设置。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。另外，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。至此，虚拟机视角的new操作完成。
如果字节码中跟随invokespecial指令，执行<init>方法，按照程序员意愿初始化。首先执行非静态成员变量显式初始化赋值（即private int i = 2;）和初始化代码块按顺序组合成的代码，再执行构造器。(先初始化块，再构造方法)

如果有继承关系，创建子类对象时，父类的成员变量显式初始化，初始化代码块，构造器都要完成后，再执行子类的成员变量显式初始化，初始化代码块，构造器。

public class Demo {
   public static void main(String[] args) {
      new Father();
   }
}

class Father {
   private int i = 1;

   Father() {
      i = 2;
   }

   {
      i = 3;
   }
}

上面的代码编译成字节码，如下图：

字节码图1

字节码图2

public class Demo {
   public static void main(String[] args) {
      Object obj = new Object();
   }
}

上面的代码编译成字节码：

字节码图3

https://github.com/iMustang/l-jdk/raw/master/src/main/java/basic/constructor/Father.java

public class Father {
    public Father() {
        System.out.println("父类构造器执行");
        i = 3;
    }
    {
        System.out.println("父类初始化块");
        i = 2;
    }
    public int initI() {
        System.out.println("父类成员变量定义时赋值（显式初始化）");
        return 1;
    }
    private int i = initI();
}

public class Son extends Father {
    public Son() {
        System.out.println("子类构造器执行");
        j = 3;
    }
    {
        System.out.println("子类初始化块");
        j = 2;
    }
    private int j = initJ();
    public int initJ() {
        System.out.println("子类成员变量定义时赋值（显式初始化）");
        return 1;
    }
    public static void main(String[] args) {
        new Son();
    }
}

// 执行结果：
父类初始化块
父类成员变量定义时赋值（显式初始化）
父类构造器执行
子类初始化块
子类成员变量定义时赋值（显式初始化）
子类构造器执行

2 对象的内存布局

对象在内存中的布局分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）、对齐填充（Padding）。

对象头

对象头包含两部分信息：
- 存储对象自身的运行时数据（官方称为Mark Word），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。
  
  该部分数据长度为：32位VM为32bit，64位VM（未开启压缩指针）为64bit。
- 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。并不是所有VM实现都在对象数据上保留类型指针。
  
  另外，如果对象是一个数组，在对象头中还有一块用于记录数组长度。
HotSpot对象头
实例数据

记录代码中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。存储顺序受到虚拟机分配策略（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。

HotSpot VM默认的分配策略是longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/boolean、oops（Ordinary Object Pointers），在满足这个前提条件下，父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙中。
对齐填充

并不是必然存在的。HotSpot VM自动内存管理要求对象起始地址是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。