JVM|你的Java对象是怎么来的

树獭非懒
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Java是一门面向对象的编程语言，Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上，创建对象通过一个new关键字就可以了，但在虚拟机中，普通Java对象（不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样一个过程呢？

对象的创建.png

先回顾一下，创建Java对象常用的几种方式：

Java创建对象的方式

1.new关键字

new关键字是我们最常见的也是最简单的创建对象的方式，通过这种方式我们可以调用任意的构造函数（无参的和有参的）去创建对象

　Student student = new Student();

2.反射机制

反射机制创建对象可以通过，Class类的newInstance方法，或者Constructor类的newInstance方法，Class的newInstance方法内部调用的也是Constructor的newInstance方法：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Constructor<Student> constructor = Student.class
            .getConstructor(Integer.class);
    Student stu = constructor.newInstance(123);
}

3.使用Clone方法创建对象

无论何时我们调用一个对象的clone方法，JVM都会帮我们创建一个新的、一样的对象，特别需要说明的是，用clone方法创建对象的过程中并不会调用任何构造函数。

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Constructor<Student> constructor = Student.class
            .getConstructor(Integer.class);
    Student stu1 = constructor.newInstance(123);
    Student stu2 = (Student) stu1.clone();
}

4.使用(反)序列化机制创建对象

当我们反序列化一个对象时，JVM会给我们创建一个单独的对象，在此过程中，JVM并不会调用任何构造函数。反序列化一个对象，可以让类实现Serializable接口

public class Student implements Cloneable, Serializable {
    private int id;

    public Student(Integer id) {
        this.id = id;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student [id=" + id + "]";
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Constructor<Student> constructor = Student.class
                .getConstructor(Integer.class);
        Student stu1 = constructor.newInstance(123456);
        // 写对象
        ObjectOutputStream output = new ObjectOutputStream(
                new FileOutputStream("xxx"));
        output.writeObject(stu1);
        output.close();
        // 读对象
        ObjectInputStream input = new ObjectInputStream(new FileInputStream(
                "xxx"));
        Student stu2 = (Student) input.readObject();
        System.out.println(stu2);
    }
}

从Java虚拟机层面看，除了使用new关键字创建对象的方式外，其他方式全部都是通过转变为invokevirtual指令直接创建对象的。

所以后面的内容都是基于new关键字方式去分析，是一个更全面的创建过程：

JVM创建对象过程

1.类加载检查

当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将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。类加载过程会经过类生命明周期的五个阶段：加载、验证、准备、解析和初始化。

类声明周期.png

本文不介绍具体每个阶段具体动作是如何的，后面会再写一篇介绍：坑位待填。

2.新对象分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。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从Java堆中划分出把一块确定大小的内存块。

分配内存的方式有空闲列表和指针碰撞。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理的能力决定。

Java堆规整：指针碰撞

如果Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，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方向挪动一段与对象大小相等的距离。

Java堆规整-指针碰撞.png

使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器，就可以用指针碰撞方式

Java堆不规整：空闲列表

Java堆中的内存如果不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法简单地进行指针碰撞了。

此时虚拟机就需要维护一个列表，记录上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，

Java堆不规整-空闲列表.png

使用CMS这种基于清除算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

分配内存时的并发场景

在虚拟机中，对象创建是非常频繁的行为。修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，比如正在给对象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。

针对这种并发场景，JVM提供两种解决方案：

1.对分配内存空间的动作进行同步处理：实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性

CAS 操作包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。执行CAS操作的时候，将内存位置的值与预期原值比较，如果相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。如果匹配失败，可以重试CAS操作或采取其他适合的操作。

深入理解JVM之CAS原子操作（九）

2.另外一种是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（TLAB：Thread Local Allocation Buffer），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。

JDK中有个类似TLAB思想的实现，那就是ThreadLocal类。每个线程会维护一个ThreadLocalMap，并发情况下不会收到线程间的干扰。

class Thread implements Runnable {
    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
}

3.初始化零值

看下面一段程序，看会发生什么？

public class InstanceInitializer {  
    private int j = getI();  
    private int i = 1;  

    public InstanceInitializer() {  
        i = 2;  
    }  

    private int getI() {  
        return i;  
    }  

    public static void main(String[] args) {  
        InstanceInitializer instance = new InstanceInitializer();  
        System.out.println("j = " + instance.j);
    }  
}

上述程序编译给通过吗？输出的打印结果是？

getI()绕过了编译器对变量i的定义检测，所以编译不会报错（使用了一个未经定义的变量）。最终打印的结果是0。

为什么结果不是1或者2呢？

变量j被赋予了i的默认值0，这一动作发生在实例变量i初始化之前和构造函数调用之前。这背后是因为JVM的初始化零值步骤：

内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值。这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，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

4.进行对象的必要设置

初始化零值后，JVM还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中。

对象的对象头包含两类信息：

对象头结构.png

1.用于存储对象自身的运行时数据

其中哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳都放在对象头的运行时数据中，官方称它为“Mark Word”。

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32个比特和64个比特，下面是64位的虚拟机的Mark Word在不同锁状态的数据表示：

Mark Word不同锁下的状态数据.png

2.另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

5.执行构造方法

完成上面的步骤后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视角看来，对象创建才刚刚开始：执行构造方法。

此时，Class文件中的init()方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。

一般来说， new指令之后会接着执行init()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

这里的一般来说想表达的意思是：

init方法是由字节码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定，Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成这两条字节码指令：

0 new #2 <java/lang/Object> 
3 dup 
4 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init> : ()V> 
7 astore_1

如果不通过new的方式，通过第一节所介绍的除new方法外的其他方法都会通过invokevirtual指令

51: invokevirtual #70

参考

《深入理解Java虚拟机（第三版）》

深入理解Java对象的创建过程

深入理解JVM之CAS原子操作（九）

指针碰撞和空闲列表

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