深入理解Java虚拟机(2)之三-HotSpot虚拟机对象探秘

对象的创建

  1. 虚拟机在遇到一条new指令时,首先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,则执行相应的类加载机制。
  2. 在类加载检查通过之后,虚拟机将为新生对象分配内存。选择哪种方式由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算法功能决定。

    • 指针碰撞(Bump the Pointer): 假设Java堆中内存是绝对规整的,所有用过的内存都放在一边,空闲的内存放在另一边,中间放着一个指针作为分界点的指示器,那所分配的内存就仅仅是把那个指针向空闲空间挪动一段与对象大小相等的距离。
    • 空闲列表(Free List): 如果Java堆中的内存不是规整的,已使用的内存和空闲的内存相互交错,就没办法简单的指针碰撞,虚拟机必须维护一个列表,记录哪些内存块可用,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,并更新列表记录。
  3. 除了如何划分可用空间外,另一个值得考虑的是对象创建在并发情况下线程不安全,目前有两种方案:
    • 对分配空间内存的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
    • 把内存分配的动作按照线程划分在不同空间之中进行——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)。哪个线程需要分配内存,就在这个线程的TLAB上分配,只有TLAB用完需要重新分配时,才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB,可以通过-XX:+/-UseTLAB参数设定。
  4. 内存分配之后,虚拟机为分配的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),如果使用TLAB,这一工作也可以提前至TLAB分配时进行。这一操作保证了对象的实例字段在Java代码中可不赋初始值就直接使用。
  5. 虚拟机对对象进行必要的设置。例如该对象是哪个类的实例、如何找到类的元数据信息、对象的哈希值、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头(Object Header)中。根据虚拟机当前的运行状态的不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。
  6. 以上工作完成后,从虚拟机的视角来看,一个新的对象已经产生,但从Java程序的视角来看,对象创建才刚刚开始——方法还没执行,所有字段都还为零。所以,一般来说(由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定),执行new指令之后会接着执行方法。

对象的内存布局

  • 对象头(Header)
  • 实例数据(Instatce Data)
  • 对齐填充(Padding)
对象头

对象头包含两部分信息:

第一部分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32bit和64bit,官方称为“Mark Word”。

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。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据保留类型指针,也就是说查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。另外,如果对象是一个Java数组,那么对象头中必须有一块用于记录数组长度的数据,因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息。无论是从父类继承的,还是子类定义的,都需要记录下来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(FieldsAllocationStyle)和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers),从分配策略中可以看出,相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件下,在父类中第一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之中。

对齐填充

对齐填充不是必然存在,也没有特别的意义,仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM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,就是对象的大小必须是8字节的整数倍。对象头正好是8字节的整数倍(1倍或者2倍),因此,当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

Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,并没有规定这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置,所以对象的访问方式取决于虚拟机实现而定。目前主流的访问方式有:

  • 使用句柄

  • 直接指针

使用句柄

使用句柄,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,而句柄中包含对象实例数据与类型数据各自的具体的地址信息。

句柄

直接指针

使用直接指针,Java堆对象的布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而reference中存储的直接就是对象地址。

直接指针

优劣
  • 使用句柄访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址,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的最大好处就是速度更快,它节省了一次指针定位的时间开销,由于对象的访问在Java中非常频繁,因此这类开销积少成多也是一项非常可观的成本。就Sun HotSpot而言,它使用直接访问的方式进行对象访问。

该文章来源《深入理解Java虚拟机》


以上

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