Java内存管理-一文掌握虚拟机创建对象的秘密(九)

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第一季

0、Java的线程安全、单例模式、JVM内存结构等知识梳理

1、Java内存管理-程序运行过程(一)

2、Java内存管理-初始JVM和JVM启动流程(二)

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4、Java内存管理-掌握虚拟机类加载机制(四)

5、Java内存管理-掌握虚拟机类加载器(五)

6、Java内存管理-类加载器的核心源码和设计模式(六)

7、Java内存管理-掌握自定义类加载器的实现(七)
第一季总结:由浅入深JAVA内存管理 Core Story

第二季

8、Java内存管理-愚人节new一个对象送给你(八)

【福利】JVM系列学习资源无套路赠送

9、Java内存管理-”一文掌握虚拟机创建对象的秘密”(九)

10、Java内存管理-你真的理解Java中的数据类型吗(十)

11、Java内存管理-Stackoverflow问答-Java是传值还是传引用?(十一)

12、Java内存管理-探索Java中字符串String(十二)

实战

一文学会Java死锁和CPU 100% 问题的排查技巧

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勿在流沙筑高台,出来混迟早要还的。

回顾一下:

本文是接着上一篇内容:Java内存管理-愚人节new一个对象送给你(八),继续整理!主要内容讲解HotSpot虚拟机在Java堆中对象是如何创建、内存分配布局和访问方式。

本文地图:

一、给你创建一个对象

如果你是一直从第一季看过来的,那一定知道前面有个地方讲过类的整个生命周期,之前只是讲到了初始化阶段,类是如何使用和类是如何被卸载还没有进行讲解!那本文就简单介绍一下类的使用,我们new 一个 “如花” 似玉的girl

这里再回顾一下,类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的生命周期包括了七个阶段:

  • 加载(Loading)
  • 验证(Verification)
  • 准备(Preparation)
  • 解析(Resolution)
  • 初始化(Initialization)
  • 使用(Using)
  • 卸载(Unloading)

在Java中我们用使用一个类,很多时候是创建这个类的一个实例,也就是常说的创建一个对象。其实在Java程序运行过程中,无时无刻都有对象被创建出来。创建对象(如克隆、反序列化)通常仅仅是一个new关键字而已。但是在Java虚拟机中一个对象(只是普通的java对象,不包括数组和Class对象等)的创建是怎么一个过程呢?

第一:虚拟机遇到一条new指令时,首先会去检查这个指令的参数是否能够在常量池中定位到一个类的符号引用。然后检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化过。如果没有进行类加载则执行相应的类加载的过程。 记住:要new对象,要先加载类!

第二:类加载检查通过后,虚拟机将为新生的对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载的时候便可以完全确定(如何确定对象的下文说明) 。为对象分配内存的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。分配方式有 “指针碰撞”“空闲列表” 两种,选择那种分配方式由 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压缩整理功能决定(对象在堆上的划分,这是个复杂的问题,后文继续探讨,这里只要明白是在对象是在堆上分配内存即可)。 记住:要new对象,要有先分配内存空间!

第三:内存分配完成,虚拟机需要将分配的内存空间都初始化为零值(零值这个概念之前文章也介绍过,这里就不再说明),这一步的操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用,因为程序能访问这些字段的数据类型对应的零值。 记住:要new对象,虚拟机会帮你为对象的实例字段自动赋予零值!

第四:虚拟机要对对象进行必要的设置,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(JDK7是方法区保存)、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息都存放在对象的对象头(Object Header)中。

上面工作都完成之后,在虚拟机看来,一个对象就已经产生了。但是从Java程序的角度看,对象的创建才刚刚开始,因为 方法还还没有执行,所有的字段都是为零值。所以一般来说,在new指令之后会接着执行方法,把对象按照程序员的意愿进行初始化,这样一个真正可用的对象才算完全产生出来!

记住:对象不是你想new,想new就可以new的!

下面用通过图解的例子简单说明(版本jdk1.7):

第一: 一个PrettyGirl类!

public class PrettyGirl {

    /**
     * 姑娘姓字名谁
     */
    String name;

    /**
     * 芳龄几何
     */
    int age;

    /**
     * 家住何方
     */
    static String address;

    /**
     * 可曾婚配否
     */
    boolean marry;

    void sayHello(){
        System.out.println("Hello...");
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "PrettyGirl{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", marry=" + marry +
                '}';
    }
}
复制代码

方法区除了保存类的结构,还保存静态属性与静态方法。编写中小型程序时,一般不会造成方法区的内存溢出!在JDK1.8 没有方法区的概念,前面文章中也有提到,这里为了讲解使用图解还是JDK1.7!

第二:实例化new两个漂亮女孩!

public static void main(String[] args) {
    PrettyGirl pg1 = new PrettyGirl();
    pg1.name = "Alice";
    pg1.age = 18;
    pg1.address = "changsha";

    PrettyGirl pg2 = new PrettyGirl();
    pg2.name = "Alexia";
    pg2.age = 28;

    System.out.println(pg1 + " ---" + pg1.address);
    System.out.println(pg2 + "----" + pg2.address);

}  
----打印结果:--------
PrettyGirl{name='Alice', age=18, marry=false} ---changsha
PrettyGirl{name='Alexia', age=28, marry=false}----changsha    
复制代码

JVM08-02

在栈内存为 pg1 变量申请一个空间,在堆内存为PrettyGirl对象申请空间,初始化完毕后将其地址值返回给pg1 ,通过pg1 .name和pg1 .age修改其值,静态的变量address是类公有的!

堆存放对象持有的数据,同时保持对原类的引用。可以简单的理解为对象属性的值保存在堆中,对象调用的方法保存在方法区。

从上图也可以看到有一个区域是栈,在程序运行的时候,每当遇到方法 调用时候,Java虚拟机就会在栈中划分一块内存称为栈帧(线程私有,堆和方法区线程共享的)。就如上面的程序,在调用main方法的时候,会创建一下栈,栈帧中的内存供局部变量(包括基本类型和引用类型)使用,基本类型和引用类型后文会详情介绍。当方法调用结束后,虚拟机会回收次栈帧占用的内存。

tips: 回顾

1、堆内存溢出会发生 OutOfMemoryError 错误,提示信息“Java heap Space”。

2、在栈中会有两个异常:

  • 如果线程请求的栈的深度大于虚拟机所允许的最大深度,将抛出StackOverflowError 异常(递归可能会导致此异常)!
  • 如果虚拟机在扩展栈时候无法申请到足够的内存空间,则抛出OutOfMemoryError异常。

3、如果有方法区 也会出现OutOfMemoryError 错误,提示信息 “PermGen space”。(JDK8 后无此错误提示)

每个区域都有一些参数可以设置,参数学习续持续更新!

二、对象的内存布局

感慨,创建一个对象还是挺不容易的!

在HotSpot虚拟机中,对象在内存中的布局可以分为3块区域:对象头(Header)、实例数据(Instance data)和对象填充(Padding)。

那下面就对这三块区域进行简单介绍:

1、对象头- 还是一个看脸的时代!

对象头包括两部分信息。第一部分用于存储对象自身的运行时数据,如

  • 哈希码(HashCode),一个对象的hashcode是唯一的,如判断一个对象是不是单例的!
  • GC分代年龄(标明是新生代还是老年代..)
  • 锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID(多线程,同步的时候用到)
  • 其他等等....

注: 上面的几个点,要结合和关联其他相关知识,理解会更加深入一点。

如 哈希码hashCode,对下面两个问题如果你又自己的一些思考,欢迎留言探讨!

1、重写了equals 必须要重写hashcode,思考一下,为什么?如果不重写在使用HashMap的时候会有出现什么问题?

2、HashMap中相同key存入数据不替换,而是进行叠加存储,怎么实现?

问题2提示:只要重写了key的hashCode()和Map的put()方法,其实就可以实现对于相同key下叠加存储不同的value了。

第二部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过指针来确定这个对象是那个类的实例。(就如我们上图的箭头,可以简单理解为指针!)

说明:

(1)、并不是所有的虚拟机实现都是必须在对象数据上保留类型指针,也就是查找对象的元数据并一定经过对象本身!

(2)、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的数据,因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据确定Java对象的大小,但是从数组的元数据却无法确定数组的大小。

2、实例数据-了解了外在美,还要注重内在美!

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也就是程序代码中定义的各种类型的字段内容。

不论是从父类继承下来的,还是在子类中定义的,都需要记录起来。记录的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中的定义的顺序相关。

3、对齐填充-对齐填充成为标准网红!

对象的填充并不是必然存在的,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兑现的起始地址必须是8字节的整数倍,也就是说对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的整数倍,因此当对象实例数据部分没有对齐时候,就需要填充来补全。

(类比记忆对齐填充,由于审美的标准,有一些人天生就是俊俏的脸蛋和好的身材,不需要进行其他的填充,有一些人可能有好看的脸蛋,但是某些地方和标准还差点意思,就需要填充来达到标准)

tips:字节

字节(byte)计算机里用来存储空间的基本计量单位。8个二进制位(bit)构成了一个字节(byte)即1byte=8bit。

三、如何“约”(定位)一个对象

认识了一个对象后,不能总是聊微信,也要约一下吃个饭啥的! 那在Java中建立了一个对象,那肯定是要使用对象的。Java程序是如果找到具体的对象的呢?

在Java程序中需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象(如开篇的图示,栈上面的引入指向堆中具体对象)。但是由于Reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,并没有定义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,所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。

目前主流的访问方式有使用句柄直接指针两种。

第一:句柄

使用句柄访问,在Java对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的实例数据与类型数据各自 的具体地址信息,如图,

第二:直接指针

使用直接指针,在Java堆对象的布局中就必须考虑如果放置访问类型数组的相关信息,而reference中存储的直接就是对象的地址,如图:

两种方式都各自优势,简单总结:

句柄:最大的好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集移动对象是非常普通的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而Reference本身不需要修改。

直接指针:最大的好处就是速度更快,它节省一次指针定位的开销,在Java中对象的访问是非常频繁的,因此能减少这类开销对提高性能还是非常客观的。

虚拟机Hotspot使用的就是直接指针这种方式。但是其他的语言和框架中使用句柄的情况也很常见!

四、本文总结

本文主要整理了Java中一个对象的创建,对象的内存布局以及如何定位一个对象! 也让我们知道对象不是你想new就可以new的,new出的对象想要“约”也是有不同方式的。

因为我也是在整理和学习中,如果文中内容有不对的地方,欢迎留言指出,谢谢!

五、参考资料

《深入理解Java虚拟机》

备注: 由于本人能力有限,文中若有错误之处,欢迎指正。

谢谢你的阅读,如果您觉得这篇博文对你有帮助,请点赞或者喜欢,让更多的人看到!祝你每天开心愉快!

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