JVM 之 HotSpot虚拟机对象在Java堆中分配、布局和访问的全过程【对象分配的具体流程？内存分配时有哪些策略？如何解决并发问题？对象布局？】

HotSpot虚拟机对象在Java堆中分配、布局和访问的全过程。

总结：

1、对象的创建：

• 类加载检查（没加载则加载，获取对象所需内存）
• -》内存分配（指针碰撞、空闲列表，并发通过TLAB+CAS重试 解决）
• -》对象初始化（设置对象头信息+其他信息零值填充）
• -》调用构造器（dup指令复制对象指针+invokespecial指令调用对象构造方法）。

2、对象的内存分布：

• 对象头（mark word(哈希码+GC年龄+锁标志位)+
• 类元数据指针+数组长度）+实例数据（根据字段类型排序）+
• 对齐填充（保证是8字节的倍数）

3、对象的访问定位：

• 句柄访问：reference访问堆中句柄池中的对象句柄，然后在找到堆中对象
• 直接指针访问：reference直接存储对象地址。

详解：

如何进行对象的创建？

创建对象需要解决的问题？

• 1、先知道创建对象需要多少内存？ -> 类加载检查 -> 获取类信息，如不存在就类加载后再获取类信息 -> 类信息就决定了对象所需要的内存大小
• 2、怎么给对象进行内存分配？-> 分配策略：指针碰撞（简单高效 0(1)）、空闲列表（0(n)）
• 3、分配时的并发问题怎么解决？-> TLAB（线程本地缓冲）+ CAS重试
• 4、对象如何初始化？-> 设置对象头信息（类元数据指针、GC年龄、哈希值、锁标志位）+ 零值填充其他信息
• 5、对象怎么提供给程序进行访问？ -> dup（复制引用）-> invokespecial(通过dup复制的引用调用构造器方法)

对象创建流程？其中如何解决的上述问题？

• 1、先进行类加载检查‌
  • 解析‌指令（获取类引用）：遇到new指令时，虚拟机从常量池中获取类的引用。
  • 验证引用（是否需要类加载）：验证该类是否已加载、解析、初始化（通过方法）。未加载则触发类加载过程。
• 2、然后进行内存分配‌：（类加载后便可以确定对象的大小(例如，int占用4字节)，所以可以直接进行空间分配）

  • 2.1、分配策略‌：

    • 指针碰撞‌（规整空间）：移动指针分配内存，简单高效,O(1)（如：Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器）。
    • 空闲列表‌（碎片化空间）：从空闲列表中分配，需遍历空闲列表，所以O(n)（如：CMS GC，基于清除（Sweep）算法的收集器）。
      • 注意： 其实，CMS设计了一个叫作Linear Allocation Buffer的分配缓冲区，在通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区后，在这块缓冲区里可以使用指针碰撞方式来分配。

  • 2.2、如何保证分配时的并发安全‌？

    • 当线程创建对象时，优先从TLAB（线程本地分配缓冲）分配（每个线程预分配内存块，减少全局锁竞争，内存连续性）
    • 若TLAB不足，则通过**CAS重试（原子操作 无锁高效）**向Eden区申请新TLAB。
    • 注意：是否使用TLAB，可以通过**-XX：+/-UseTLAB**参数来设定
• 3、再然后初始化‌对象
  • 设置‌对象头：记录以下信息
    • 类元数据指针：指向方法区的类元数据（32位JVM占用4字节，64位JVM占用8字节）
    • GC年龄：Minor GC的次数（默认15次后升到老年代，可通过-XX:MaxTenuringThreshold调整）
    • 哈希值：延迟计算，首次调用System.identityHashCode()时生成
    • 锁标志位：偏向锁ID、轻量级锁、重量级锁等信息
  • 零值填充‌（除对象头外设置初始值）：分配内存后，除对象头外初始化为零值（如int默认为0）。
• 4、最后调用构造器‌：字节码指令（new → dup → invokespecial）
  • dup指令‌：复制引用，确保初始化后可被程序使用。
  • 构造方法‌：通过invokespecial指令，使用dup复制的对象引用 去调用构造方法。

new vs 反射 vs 克隆创建对象时的异同

如何进行对象的内存布局？

对象内存布局时需要考虑的问题？

• 1、对象的基本信息有哪些？-> 运行时数据（哈希码、GC年龄、锁状态）、类元数据指针（如何找到对象的类信息）、数组的长度（对象可确定大小，但数组对象需根据对象和数量确定大小）
• 2、基本信息存在哪？-> 对象头。
• 3、对象数据如何存储？-> 按字段类型的大小排序后存储（longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs））
• 4、如何适配64位机器？-> 通过对齐填充保证为8字节的倍数。

Java对象内存详解

• 1、对象头：
  • Mark Word‌：存储运行时数据（31bit哈希码、4bit代龄、2bit锁标志、26bit未使用）。
  • 类元数据指针‌：指向方法区的类元数据。
  • 数组长度‌：仅数组对象有。
• 2、实例数据：
  • 存储类的字段（如int a; String b;）。
  • 按字段类型和顺序排列（longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs））。
• 3、对齐填充：确保对象起始地址为8字节倍数（如long对齐）。

如何进行对象的访问定位？

java通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象.

访问对象的方式有哪些？各自怎么实现的？各自的优缺点？

• 1、句柄访问：通过reference找到java堆中句柄池内该对象的句柄（句柄 = 对象实例数据地址信息 + 类元数据地址信息）

• 优点：对象变动时，只需修改句柄中的地址信息，reference不需要变动

• 缺点：需先找到句柄，然后再找到对象，多了一次指针定位

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• 2、直接指针访问：reference中直接存放对象地址

• 优点：相比句柄节省了一次指针定位的时间开销，更快

• 缺点：对象变动时，需修改reference。