JVM系列（八）对象的实例化、内存布局与访问定位

NASUF
257 阅读6分钟

1. 对象的实例化

1.1 对象的创建方式

  • new（使用构造器）
    • 最常见的方式
    • 变形1：Xxx的静态方法
    • 变形2：XxxBuilder / XxxFactory的静态方法
  • Class的newInstance()
    • 反射的方式
    • 只能调用空参的构造器，权限必须是public
  • Constructor的newInstance()
    • 反射的方式
    • 可以调用空参、带参的构造器，权限没有要求
  • clone()
    • 不调用任何构造器，当前类需要实现Cloneable接口，实现clone()方法
  • 使用反序列化
    • 可以从文件、网络等获取一个对象的二进制流
  • 第三方库Objenesis

1.2 对象创建的步骤

1.2.1 从字节码角度

测试代码

package com.nasuf.jvm;

public class ObjectTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
    }
}

部分字节码如下：

 public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/lang/Object 笔者注：首先从方法区中查看是否已经加载了Object类，如果没加载，
                                              // 需要类加载器将Object类进行加载。同时在堆空间中分配好对应的对象空间，然后进行零值初始化
         3: dup  // 笔者注：将栈空间的操作数栈中的引用复制一份，一份用于赋值操作，一份作为句柄
         4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V 笔者注：调用空参构造器，进行显式初始化赋值
         7: astore_1  // 笔者注：将变量obj从操作数栈中取出，放到局部变量表中索引为1的位置
         8: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
            8       1     1   obj   Ljava/lang/Object;

1.2.2 从执行过程角度

  1. 判断对象对应的类是否进行了加载、链接、初始化 虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能够在Metaspace的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经被加载、解析和初始化（即判断类元信息是否存在）。如果没有，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader + 包名 + 类名为key进行查找对应的.class文件。如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常；如果找到了，则进行类加载，并生成对应的Class类对象
  1. 为对象分配内存 首先计算对象占用空间大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。如果实例对象变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小
  • 如果内存规整，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Pointer） 来为对象分配内存。意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。即一般使用带有compact（整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。
  • 如果内存不规整，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表法（Free List） 来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录了哪些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。这种分配方式称为空闲列表。

选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的的垃圾收集器是否带有压缩整理的功能决定

  1. 处理并发安全问题
  • CAS（Compare And Swap）失败重试、区域加锁保证指针更新操作的原子性
  • 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，称为本地线程分配缓冲区（TLAB, Thread Local Allocation Buffer）。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定
  1. 初始化分配到的空间 所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值时可以直接使用
  1. 设置对象的对象头 将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM的实现。
  1. 执行<init>方法进行初始化 在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量。因此一般来说（由字节码中是否跟随有invokespecial指令所决定，new指令之后会接着就是执行方法，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创建出来

2. 对象的内存布局

2.1 对象头（Header）

运行时元数据（Mark Word）

  • 哈希值（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

类型指针 指向元数据InstanceKlass，确定该对象所属的类型

如果是数组，还需记录数组的长度

2.2 实例数据（Instance Data）

它是对象真正存储的有效信息，包括程序代码中定义的各种类型的字段（包括从父类继承下来的和本身拥有的字段）。规则是：

  • 相同宽度的字段总是被分配在一起
  • 父类中定义的变量会出现在子类之前
  • 如果CompactFields参数为true（默认为true）：子类的窄变量可能插入到父类变量的空隙

2.3 对齐填充

不是必须的，也没特别含义，仅仅起到占位符的作用

针对下列代码

package com.nasuf.jvm;

public class Customer {
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "anonymous client";
    }

    public Customer() {
        acct = new Account();
    }
}

class Account {}


package com.nasuf.jvm;

public class CustomerTest {
    public static void main(String[] args) {
        Customer cust = new Customer();
    }
}

对应的内存结构如下：

image.png

3. 对象的访问定位

JVM是如何通过栈帧中的对象引用访问到期内部的对象实例的呢？

image.png

对象访问方式主要有两种：

3.1 句柄访问

image.png

  • 好处：reference中存储稳定句柄地址，对象被移动（垃圾手机时移动对象很普遍）时只会改变句柄中实例数据指针即可，reference本身不需要被修改
  • 缺点：需要一份额外的空间存储句柄，对象查找时不直接

3.2 直接指针（Hotspot采用）

image.png

  • 好处：对象地址访问比较直接
  • 缺点：对象被移动时需要修改reference数据
avatar
文章
阅读
粉丝