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Hotspot 对象

Hotspot 对象

作者: 面向对象架构 | 来源:发表于2022-12-11 01:19 被阅读0次

一、对象的创建

对象的创建通常是通过new一个对象而已,当虚拟机接收到一个new指令时,它会做如下的操作。

1.1、判断对象对应的类是否加载、链接、初始化

虚拟机接收到一条new指令时,首先会去检查这个指定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类加载器加载、链接和初始化过。如果没有则先执行相应的类加载过程。

1.2、为对象分配内存

类加载完成后,接着会在Java堆中划分一块内存分配给对象。内存分配根据Java堆是否规整,有两种方式:

  1. 指针碰撞:如果Java堆的内存是规整,即所有用过的内存放在一边,而空闲的的放在另一边。分配内存时将位于中间的指针指示器向空闲的内存移动一段与对象大小相等的距离,这样便完成分配内存工作。
  2. 空闲列表:如果Java堆的内存不是规整的,则需要由虚拟机维护一个列表来记录那些内存是可用的,这样在分配的时候可以从列表中查询到足够大的内存分配给对象,并在分配后更新列表记录。

1.3、处理并发安全问题

创建对象是一个非常频繁的操作,所以需要解决并发的问题,有两种方式:

  1. 对分配内存空间的动作进行同步处理,比如在虚拟机采用CAS算法并配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
  2. 每个线程在Java堆中预先分配一小块内存,这块内存称为本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer)简写为TLAB,线程需要分配内存时,就在对应线程的TLAB上分配内存,当线程中的TLAB用完并且被分配到了新的TLAB时,这时候才需要同步锁定。通过-XX:+/-UserTLAB参数来设定虚拟机是否使用TLAB。

1.4、初始化分配到的内存空间

将分配到的内存,除了对象头都初始化为零值。

1.5、设置对象的对象头

将对象的所属类、对象的HashCode和对象的GC分代年龄等数据存储在对象的对象头中。

1.6、执行init方法进行初始化

执行init方法,初始化对象的成员变量、调用类的构造方法,这样一个对象就被创建了出来。

二、对象的堆内存布局

以HotSpot虚拟机为例,对象在堆内存的布局分为三个区域,分别是对象头(Header)、实例数据(Instance Data)、对齐填充(Padding)。

  1. 对象头:对象头包括两部分信息分别是Mark Word和类型指针。
    1. Mark World用于存储对象运行时的数据,比如HashCode、锁状态标志、GC分代年龄等。
    2. 类型指针用于指向方法区的中目标类的类型信息,通过元数据指针可以确定对象的具体类型。
  2. 实例数据:用于存储对象中的各种类型的字段信息(包括从父类继承来的)。
  3. 对齐填充:对齐填充不一定存在,起到了占位符的作用,没有特别的含义。

对象头 Mark Word

存储内容 标志位 状态
对象哈希码、对象分代年龄 01 未锁定
指向锁记录的指针 00 轻量级锁定
指向重量级锁的指针 10 膨胀(重量级锁定)
空,不需要记录信息 11 GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 01 可偏向
JVM_GC-HotSpot-Object-Mark-Word

++怎么同一个标志位能够对应不同的存储内容,而且指定的状态还不一样呢?++
lock锁信息 2位和biased_lock偏向锁 1位共同来表示用来记录 锁的 5 种状态。,虚拟机运行时会先判断lock的标记,如果lock为01则再判断biased_lock的值;如果为其他就不需要进行biased_lock的判断。

JVM_GC-HotSpot-Object-Mark-Word-Lock-Code.jpg

三、Hotspot 对象模型 oop-klass

HotSpot中采用了OOP-Klass模型,它是用来描述Java对象实例的一种模型,OOP(Ordinary Object Pointer)指的是普通对象指针,而Klass用来描述对象实例的具体类型。

类被加载到内存时,就被封装成了klass,klass包含类的元数据信息,像类的方法、常量池这些信息都是存在klass里的,你可以认为它是java里面的java.lang.Class对象,记录了类的全部信息;
OOP(Ordinary Object Pointer)指的是普通对象指针,它包含MarkWord 和元数据指针,MarkWord用来存储当前指针指向的对象运行时的一些状态数据;元数据指针则指向klass,用来告诉你当前指针指向的对象是什么类型,也就是使用哪个类来创建出来的;

那么为何要设计这样一个一分为二的对象模型呢?这是因为HotSopt JVM的设计者不想让每个对象中都含有一个vtable(虚函数表),所以就把对象模型拆成klass和oop,其中oop中不含有任何虚函数,而klass就含有虚函数表,可以进行method dispatch。

HotSpot中,OOP-Klass实现的代码都在/hotspot/src/share/vm/oops/路径下,oop的实现为instanceOop 和 arrayOop,他们来描述对象头,其中arrayOop对象用于描述数组类型。

HotSpot中,用instanceOopDesc 和 arrayOopDesc 来描述对象头,其中arrayOopDesc对象用于描述数组类型。

openjdk/hotspot/src/share/vm/oops/instanceOop.hpp

class instanceOopDesc : public oopDesc {
 public:
  // aligned header size.
  static int header_size() { return sizeof(instanceOopDesc)/HeapWordSize; }

  // If compressed, the offset of the fields of the instance may not be aligned.
  static int base_offset_in_bytes() {
    // offset computation code breaks if UseCompressedClassPointers
    // only is true
    return (UseCompressedOops && UseCompressedClassPointers) ?
             klass_gap_offset_in_bytes() :
             sizeof(instanceOopDesc);
  }

  static bool contains_field_offset(int offset, int nonstatic_field_size) {
    int base_in_bytes = base_offset_in_bytes();
    return (offset >= base_in_bytes &&
            (offset-base_in_bytes) < nonstatic_field_size * heapOopSize);
  }
};

可以看出instanceOopDesc继承自oopDesc:
openjdk/hotspot/src/share/vm/oops/oop.hpp

class oopDesc {
  friend class VMStructs;
 private:
  volatile markOop  _mark;
  union _metadata {
    Klass*      _klass;
    narrowKlass _compressed_klass;
  } _metadata;

  // Fast access to barrier set.  Must be initialized.
  static BarrierSet* _bs;
...
}

oopDesc中包含两个数据成员:_mark 和 _metadata。其中markOop类型的_mark对象指的是前面讲到的Mark World。_metadata是一个共用体,其中_klass是普通指针,_compressed_klass是压缩类指针,它们就是前面讲到的元数据指针,这两个指针都指向instanceKlass对象,它用来描述对象的具体类型。

instanceKlass的代码如下所示。
openjdk/hotspot/src/share/vm/oops/instanceKlass.hpp

class InstanceKlass: public Klass {
  ...
  enum ClassState {
    allocated,                          // allocated (but not yet linked)
    loaded,                             // loaded and inserted in class hierarchy (but not linked yet)
    linked,                             // successfully linked/verified (but not initialized yet)
    being_initialized,                  // currently running class initializer
    fully_initialized,                  // initialized (successfull final state)
    initialization_error                // error happened during initialization
  };
  ...
 } 

instanceKlass继承自Klass ,枚举ClassState 用来标识对象的加载进度。

知道了OOP-Klass模型,我们就可以分析Java虚拟机是如何通过栈帧中的对象引用找到对应的对象实例,如下图所示。


JVM_GC-HotSpot-Oop-Klass-Reference.jpg

从图中可以看出,通过栈帧中的对象引用找到Java堆中的instanceOopDesc对象,再通过instanceOopDesc中的元数据指针来找到方法区中的instanceKlass,从而确定该对象的具体类型。

四、对象的生命周期

当Java对象被类加载器加载到虚拟机中后,Java对象在Java虚拟机中有7个阶段。

4.1、创建阶段 Created

创建阶段的具体步骤为:

  1. 为对象分配存储空间。
  2. 构造对象。
  3. 从超类到子类对static成员进行初始化。
  4. 递归调用超类的构造方法。
  5. 调用子类的构造方法。

4.2、应用阶段 In Use

  1. 当对象被创建,并分配给变量赋值,状态就切换到了应用阶段。
  2. 这一阶段的对象至少要具有一个强引用,或者显式的使用软引用、弱引用或者虚引用。

4.3、不可见阶段 Invisible

程序中找不到对象的任何强引用,比如程序的执行已经超出了该对象的作用域。在不可见阶段,对象仍可能被特殊的强引用GC Roots持有着,比如对象被本地方法栈中JNI引用或是被运行中的线程引用等。

4.4、不可达阶段 Unreachable

程序中找不到对象的任何强引用,并且垃圾收集器发现对象不可达。

4.5、收集阶段 Collected

垃圾收集器已经发现对象不可达,并且垃圾收集器已经准备好要对该对象的内存空间重新进行分配时。这个时候如果该对象重写了finalize方法,则会调用该方法。

4.6、终结阶段 Finalized

当对象执行完finalize法后仍然处于不可达状态时,或者对象没有重写finalize方法,则该对象进入终结阶段,并等待垃圾收集器回收该对象空间。

4.7、对象空间重新分配阶段 Deallocated

当垃圾收集器对对象的内存空间进行回收或者再分配时,这个对象就会彻底消失。

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