JVM学习笔记05-对象的创建

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废话不多说,直接上图,对象创建的主要流程如下:

对象创建的主要流程.png

类加载检查

当虚拟机遇到一条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,那必须先执行相应的类加载过程。

new指令对应到语言层面上讲是,new关键词、对象克隆、对象序列化等。

分配内存

在类加载检查通过后,接下来虚拟机将为对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定,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。这个步骤有两个问题:

  1. 如何划分内存
  2. 在并发情况下, 可能出现正在给对象A分配内存,指针还没来得及修改,对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况 划分内存的方法:
  • 指针碰撞(Bump the Pointer)(默认用指针碰撞) 如果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,那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
  • 空闲列表(Free List) 如果Java堆中的内存并不是规整的,已使用的内存和空 闲的内存相互交错,那就没有办法简单地进行指针碰撞了,虚拟机就必须维护一个列表,记录哪些内存块是可用的,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, 并更新列表上的记录

解决并发问题的方法:

  • CAS(compare and swap)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来对分配内存空间的动作进行同步处理。
  • 本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer,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。通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定虚拟机是否使用TLAB(JVM会默认开启-XX:+UseTLAB),-XX:TLABSize指定TLAB大小。

初始化零值

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), 如果使用TLAB,这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步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,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

设置对象头

初始化零值之后,虚拟机要对对象进行必要的设置,例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分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头(Object Header)之中。

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)。 其中:

  • 对象头(Header)主要由以下3部分组成
  1. Mark Word标记字段(32位占4字节,64位占8字节),标记自身运行时数据,如哈希值、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有锁、偏向线程ID、偏向时间戳等
  2. Klass Pointer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,开启指针压缩占4字节,关闭指针压缩占8字节
  3. 数组长度,占4字节,只有数组对象才有
  • 实例数据(Instance Data)是对象真正存储的有效信息,即我们在程序代码里面所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字段都必须记录起来
  • 对齐填充(Padding)并不是必然存在的,也没有特殊的含义,它仅仅起着占位符的作用。 由于HotSpot虚拟机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,换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍

32位对象头

32位对象头.png

64位对象头

64位对象头.png 关于对象头,在C++的源码markOop.hpp中的注释如下:

// Bit-format of an object header (most significant first, big endian layout below):
//
//  32 bits:
//  --------
//             hash:25 ------------>| age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//             JavaThread*:23 epoch:2 age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//             size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)
//             PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
//
//  64 bits:
//  --------
//  unused:25 hash:31 -->| unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//  JavaThread*:54 epoch:2 unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//  PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
//  size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)
//
//  unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4    biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
//  JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4    biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
//  narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
//  unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)

执行<init>方法

执行<init>方法,即对象按照程序员的意愿进行初始化。对应到语言层面上讲,就是为属性赋值和执行构造方法。

指针压缩

什么是Java对象的指针压缩呢?

  1. jdk1.6 update14开始,在64bit操作系统中,JVM支持指针压缩,用32位指针支持64位操作系统进行寻址
  2. jvm配置参数:UseCompressedOops,compressed--压缩、oop(ordinary object pointer)--对象指针
  3. 启用指针压缩:-XX:+UseCompressedOops(默认开启),禁止指针压缩:-XX:-UseCompressedOops 接下来,我们jol-core包来查看以下对象大小
<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>
package org.laugen.jvm;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class JolSample {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(new Object());
        System.out.println(layout.toPrintable());

        System.out.println();
        ClassLayout layout1 = ClassLayout.parseInstance(new int[]{});
        System.out.println(layout1.toPrintable());

        System.out.println();
        ClassLayout layout2 = ClassLayout.parseInstance(new A());
        System.out.println(layout2.toPrintable());
    }

    // -XX:+UseCompressedOops           默认开启的压缩所有指针
    // -XX:+UseCompressedClassPointers  默认开启的压缩对象头里的类型指针Klass Pointer
    // Oops : Ordinary Object Pointers
    public static class A {
        //8B mark word
        //4B Klass Pointer   如果关闭压缩-XX:-UseCompressedClassPointers或-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
        int id;        //4B
        String name;   //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
        byte b;        //1B
        Object o;      //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
    }
}

开启指针压缩运行结果:

java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total


[I object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
     12     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     16     0    int [I.<elements>                             N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total


org.laugen.jvm.JolSample$A object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           63 cc 00 f8 (01100011 11001100 00000000 11111000) (-134165405)
     12     4                int A.id                                      0
     16     1               byte A.b                                       0
     17     3                    (alignment/padding gap)                  
     20     4   java.lang.String A.name                                    null
     24     4   java.lang.Object A.o                                       null
     28     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

关闭指针压缩运行结果:

java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           00 1c cf 1b (00000000 00011100 11001111 00011011) (466557952)
     12     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total


[I object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           68 0b cf 1b (01101000 00001011 11001111 00011011) (466553704)
     12     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     16     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     20     4        (alignment/padding gap)                  
     24     0    int [I.<elements>                             N/A
Instance size: 24 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total


org.laugen.jvm.JolSample$A object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           f8 bd 38 1c (11111000 10111101 00111000 00011100) (473480696)
     12     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     16     4                int A.id                                      0
     20     1               byte A.b                                       0
     21     3                    (alignment/padding gap)                  
     24     8   java.lang.String A.name                                    null
     32     8   java.lang.Object A.o                                       null
Instance size: 40 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 0 bytes external = 3 bytes total

我们可以看到以下几个点:

  • 开启指针压缩,指针占用4字节,关闭后则占用8字节
  • 数组对象占用4字节
  • bype类型数据占1个字节,但是也会先填充对其到4个字节
  • ······

最后,你知道为什么要进行指针压缩吗?