虚拟机中对象的创建、内存布局、访问
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PrivateO2 发表于9个月前
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虚拟机中对象的创建、内存布局、访问

 

1、 概述

  用常用的HotSpot虚拟机和常用的内存区域Java堆为例,了解HotSpot虚拟机在Java堆中对象的分配、布局、和访问。

 

2、 对象的创建

  在语言层面上,创建对象(例如克隆,反序列化)通常仅仅是一个new关键字而已。

  在虚拟机中,对象(文中讨论的对象限于普通Java对象,不包括数组和Class对象等)的创建过程如下:

 

(1) 虚拟机接受new指令

  虚拟机遇到一条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,则必须执行相应的类加载过程。

 

(2) 分配内存

  在类加载检查通过后,接下来虚拟机为新生对象分配内存。新对象的大小在类加载过程中就确认了大小;分配内存的过程就是把堆中一块确定大小的区域划分给新对象的使用。

 

内存的分配通常有二种方式

 1. 指针碰撞(Bump the Pointer)
   Java堆中内存是绝对规整的,分配过的内存放在一边,未分配的内存放在另一边,中间有个指针作为临界点的指示器,分配内存就是把指针向空闲空间那边移动一段与对象大小相等的距离。

 2. 空闲列表(Free List)
   当Java堆中的内存不规整时,分配过的内存和未分配的内存交错,则需要维护一个列表来记录未分配的空间,虚拟机就必须维护一个列表,记录那些内存块是可用的,在分配内存的时候从列表中找出一块能够容纳新对象的空间划分给对象实例,并更新该列表上的记录即可。

 

内存分配同步的二种方案

   对象的创建在虚拟机中是非常频繁的行为,仅仅是修改指针的位置,在并发的情况下也不是线程安全的。可能出现正在给对象A分配内存,指针还没来得及修改,此时B对象又使用了原来的指针为B对象分配内存。

 1.同步分配空间方法
   对分配内存空间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

 2.本地线程分配缓冲(TLAB)
   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,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。虚拟机是否使用TLAB,可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

 

(3) 对象初始化

  内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头)—保证了在使用实例对象时可以不赋初始值(final除外)

 

(4) 对象头(Object Header)设置

  需要在对象头中设置: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分代年龄等信息。
  根据虚拟机当前的运行状态的不同,比如是否启用偏向锁等,对象头硅油不同的设置方式。

 

(5) 创建完成

  经过以上步骤
  对于虚拟机来说:一个新的对象已经产生了。
  对于程序员来说 :对象创建才刚刚开始,执行new指令后会接着执行< init >方法,再按程序员的意思进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

 

3、 对象的内存布局

  在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

 

3.1、 对象头

  分为二部分:

  •   对象头的第一部分用来存储对象自身的运行数据:如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有锁、偏向线程ID、偏向时间戳。这部分数据的长度在32和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit,官方称为“Mark World”。但是对象存储的数据比较多,一般都会大于32,64位Bitmap结构所能记录的长度,考虑到虚拟机的空间效率,Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息,它会根据对象的状态复用自己的存储空间 。

 

HotSpot虚拟机对象头 Mark Word

 

 

 

  •   对象头的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(并非所有的虚拟机实现都必须在对象中记录这个指针);如果对象是一个Java数组,那在对象头中还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。

 

3.2、 实例数据

  实例数据是对象真正存储的有效信息,也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容,无论是父类继承下来的还是子类定义的都需要记录下来。
  实例数据存储顺序:与虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义的顺序有关。
  默认分配策略: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。

 

3.3、 对齐填充

  该部分不是必然存在的,也没有特别的含义,它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot 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,换句话说,就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数(1倍或者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。

 

4、 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。
  在Java虚拟机规范中对reference类型只规定了了一个指向对象的引用,没有定义这个引用怎么去定位、访问堆中对象的具体位置。所以这取却于虚拟机的具体实现。目前主流的有使用句柄和直接指针二种。

 

4.1、 句柄

  如果使用句柄访问的话,那么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,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息

       

 

4.2、 直接指针访问

  指针访问 那么Java堆对象的布局中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

      

 

4.3、 各自的优点

  使用句柄来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后也是一项非常可观的执行成本。HotSpot使用的是直接指针这种方式访问对象的。

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