深入理解Java虚拟机 – HotSpot虚拟机对象探秘详解编程语言

对象的创建

虚拟机遇到一条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，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。假设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，这种分配方式称
为“指针碰撞”（Bump the Pointer）。如果Java堆中的内存并不是规整的，则使用“空闲列表（Free List）”的分配方式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垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

但是内存的分配是同步的，如果一个线程刚分配一个对象内存，但是还没有修改指针所指向的位置，那么另一个线程分配对象的时候可能就出错了。解决方法有两个，一是对分配内存空间的动作进行同步处理（CAS方式）。另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间进行，每个线程在java堆中预分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（TLAB）。只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步。JVM是否开启TLAB功能，可通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

内存分配完之后，初始化零值（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。

接下来，JVM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，根据JVM当前运行状态不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

执行完new指令后接着执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个对象就初始化完成了。

对象的内存布局

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）。

HotSpot虚拟机的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（哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的存储官方称为Mark Word），另一部分是类型指针（即对象指向它的类元数据的指针，JVM通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例）。

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数据。

接下来的实例数据是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容，在父类中定义的变量会出现在子类之前，如果CompactFields参数值为true，那么子类中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

第三部分对齐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。不满8个字节的时候占位。

对象的访问定位

我们的Java程序需要通过栈上的Reference数据来操作堆上的具体对象。Reference访问对象的方式目前主流的有两种：句柄和直接指针。

如果直接使用句柄访问，java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象数据与类型数据各自的具体地址信息，如下图所示。

如果使用直接指针访问，那么java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址，如下图所示。

这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销。HotSpot虚拟机使用的是直接指针访问的方式。句柄来访问的情况也十分常见。

参考文献：深入理解Java虚拟机 周志明 著