JVM 從入門到放棄之 Java 對象創(chuàng)建過程
架構(gòu)對象的創(chuàng)建
Java 是一門面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，創(chuàng)建對象通常只是通過 new關(guān)鍵字創(chuàng)建。
對象創(chuàng)建過程
當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個字節(jié)碼 new指令的時候，首先去檢查這個指令的參數(shù)是否能夠在常量池中定位到一個類的符號引用。并且檢查這個符號引用代表的類是否被虛擬機(jī)類加載器加載。如果沒有，必須先執(zhí)行類加載的流程。
在類的檢查通過過后，接下來虛擬機(jī)就會為新生成對象分配內(nèi)存。對象所需要的內(nèi)存大小在類加載的時候決定。(對象內(nèi)存分配后面將有獨立的一小段講解)。
內(nèi)存分配完成后，虛擬機(jī)會將這塊分配到的內(nèi)存空間(不包括對象頭)都初始化為零值，就是將這塊內(nèi)存空間進(jìn)清理和初始化。
接下來虛擬機(jī)還需要進(jìn)行對象進(jìn)行初始化設(shè)置，比如元數(shù)據(jù)(對象是那個類的實例)、對象的哈希編碼、對象的 GC 分代年齡、偏向鎖狀態(tài)等信息這些信息都用于存放到對象頭(Object Header)中。
完成上述流程，其實已經(jīng)完成了虛擬機(jī)中內(nèi)存的創(chuàng)建，但是我們在 Java 執(zhí)行 new創(chuàng)建對象的角度才剛剛開始，我們還需要調(diào)用構(gòu)造方法初始化對象(可能還需要在此前后調(diào)用父類的構(gòu)造方法、初始化塊等)。進(jìn)行 Java 對象的初始化。即在 .class 的角度是調(diào)用 ()方法。如果構(gòu)造方法中還有調(diào)用別的方法，那么別的方法也會被執(zhí)行，當(dāng)構(gòu)造方法內(nèi)的所有關(guān)聯(lián)的方法都執(zhí)行完畢后，才真正算是完成了 Java 對象的創(chuàng)建。
整體對象創(chuàng)建流程如下：
對象內(nèi)存分配
對象內(nèi)存分配過程如下圖所示：
為對象分配空間的任務(wù)實質(zhì)上是從 Jvm 的內(nèi)存區(qū)域中，指定一塊確定大小的內(nèi)存塊給 Java 對象。(默認(rèn)是在堆上分配)。
指針碰撞
假設(shè) Java 堆中內(nèi)存是絕對規(guī)整的，所有使用過的內(nèi)存都被放在一邊，沒有使用過的內(nèi)存放在了另外一邊。中間放著一個指針用來表示他們的分界點。那所分配的內(nèi)存僅僅是把那個指針向空閑的方向挪動一段與Java對象大小相等的距離，這種分配方式叫做“指針碰撞”(Dump The Pointer)。
空閑列表
但是如果 Java 堆中內(nèi)存并不是規(guī)整的，已經(jīng)使用的內(nèi)存塊，和空閑的內(nèi)存塊相互交錯在一起，那就沒有辦法簡單的進(jìn)行指針碰撞了，虛擬機(jī)必須維護(hù)一個可用內(nèi)存區(qū)域列表。記錄哪些內(nèi)存塊是可以使用的。在對象內(nèi)存分配的時候就從列表中去找到一塊足夠大的內(nèi)存空間劃分給實例對象，并且更新列表上的記錄。這種分配方式叫做“空閑列表”(Free List)。
內(nèi)存分配方式選擇
什么時候使用指針碰撞，什么時候才用空閑列表? 選擇哪一種分配方式是由 Java 堆是否規(guī)整決定的，而 Java 堆是否規(guī)整又是由所采用的垃圾回收器是否有空間整理(Compact)的能力決定。
- 當(dāng)使用 Serial 、ParNew 等帶指針壓縮整理過程的收集器時，系統(tǒng)采用的分配算法是指針碰撞，既簡單，又高效。
- 當(dāng)采用 CMS 基于清除(Sweep)算法的收集器時，理論上只能采用復(fù)雜的空閑列表來分配內(nèi)存。
并發(fā)內(nèi)存分配方案
對象頻繁分配的過程中，即使只修改一個指針?biāo)赶虻奈恢茫窃诓l(fā)的情況下也不是線程安全的，可能出現(xiàn)正在給 A 對象分配內(nèi)存，指針還沒有來得及修改，對象 B 又同時使用原來的指針進(jìn)行內(nèi)分配的情況。解決這個問題有兩種可選的方案：一種是對內(nèi)存分配空間的動作進(jìn)行同步處理-實際上虛擬機(jī)是采用CAS + 失敗重試的方式來保證更新操作的原子性。另外一種就是把內(nèi)存分配的動作按照線程劃分在不同的空間中進(jìn)行，即每個線程在 Java 堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存，稱為本地線程分配緩沖(Thred Local Allocation Buffer, TLAB), 那個線程要分配內(nèi)存，就在那個線程分配內(nèi)存，就在那個線程的本地緩沖中分配，只有本地緩沖用完了，分配新的緩沖區(qū)時才需要同步鎖定，虛擬機(jī)是否使用 TLAB，可以通過 -XX:+/-UseTLAB參數(shù)設(shè)置。
對象的內(nèi)存布局
在HotSpot虛擬機(jī)中，對象在內(nèi)存中存儲的布局可以分為3塊區(qū)域：對象頭(Header)、實例數(shù)據(jù)(Instance Data)和對齊填充(Padding)。下圖是普通對象實例與數(shù)組對象實例的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
對象頭結(jié)構(gòu)
Mark Word (64bit)
結(jié)合 openjdk 源碼 markOop.hpp中我們可以看到：
兩個指針變量說明：
ptr_to_lock_record：輕量級鎖狀態(tài)下，指向棧中鎖記錄的指針。當(dāng)鎖獲取是無競爭時，JVM 使用原子操作而不是 OS 互斥，這種技術(shù)稱為輕量級鎖定。在輕量級鎖定的情況下，JVM 通過 CAS 操作在對象的 Mark Word 中設(shè)置指向鎖記錄的指針。
ptr_to_heavyweight_monitor：重量級鎖狀態(tài)下，指向?qū)ο蟊O(jiān)視器 Monitor 的指針。如果兩個不同的線程同時在同一個對象上競爭，則必須將輕量級鎖定升級到 Monitor 以管理等待的線程。在重量級鎖定的情況下，JVM 在對象的 ptr_to_heavyweight_monitor 設(shè)置指向 Monitor 的指針。
markOop.hpp中我們可以看到 文件的注釋如下：
// 部分省略
// 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)
// 部分省略
klass
klass 對應(yīng) Java 的 CLass 類，一個對象 jvm 中就會生成一個 kclass 實例對象存儲到 Java 類對象的元數(shù)據(jù)信息，在 jdk 1.8 中，將這塊存儲到元空間中。在對象頭中存儲的就是 klass 類型指針，即對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。
數(shù)組長度(只有數(shù)組對象有)
如果對象是一個數(shù)組, 那在對象頭中還必須有一塊數(shù)據(jù)用于記錄數(shù)組長度。
實例數(shù)據(jù)
實例數(shù)據(jù)部分是對象真正存儲的有效信息，也是在程序代碼中所定義的各種類型的字段、方法內(nèi)容。無論是從父類繼承下來的，還是在子類中定義的，都在這里一一記錄。
對齊填充
第三部分對齊填充并不是必然存在的，也沒有特別的含義，它僅僅起著占位符的作用。由于HotSpot VM的自動內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，換句話說，就是對象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。而對象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)(1倍或者2倍)，因此，當(dāng)對象實例數(shù)據(jù)部分沒有對齊時，就需要通過對齊填充來補全。
對象大小計算
- 在32位系統(tǒng)下，存放Class指針的空間大小是4字節(jié)，MarkWord是4字節(jié)，對象頭為8字節(jié)。
- 在64位系統(tǒng)下，存放Class指針的空間大小是8字節(jié)，MarkWord是8字節(jié)，對象頭為16字節(jié)。
- 64位開啟指針壓縮的情況下，存放Class指針的空間大小是4字節(jié)，MarkWord是8字節(jié)，對象頭為12字節(jié)。數(shù)組長度4字節(jié)+數(shù)組對象頭8字節(jié)(對象引用4字節(jié)(未開啟指針壓縮的64位為8字節(jié))+數(shù)組markword為4字節(jié)(64位未開啟指針壓縮的為8字節(jié)))+對齊4=16字節(jié)。
- 靜態(tài)屬性不算在對象大小內(nèi)。
打印對象狀態(tài)
JOL(Java Object Layout)一款開源的用于分析 JVM 中對象布局的一個小工具。使用 Unsafe、JVMTI 和 Serviceability Agent (SA) 來解碼實際的對象布局、占用空間和引用。這使得 JOL 比其他依賴堆轉(zhuǎn)儲、規(guī)范假設(shè)等的工具更準(zhǔn)確。 maven 倉庫依賴如下：
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.16</version>
</dependency>
1.查看對象內(nèi)部信息包括：對象內(nèi)的字段布局、標(biāo)題信息、字段值、對齊/填充。 ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable()
2.查看對象外部信息：包括引用的 :GraphLayout.parseInstance(obj).toPrintable()
3.查看對象占用內(nèi)存空間的大小：GraphLayout.parseInstance(obj).totalSize()
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完整代碼：
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.info.GraphLayout;
public class ObjectTest2 {
public static void main(String[] args) {
Object obj = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
System.out.println();
System.out.println();
System.out.println(GraphLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
System.out.println();
System.out.println();
System.out.println(GraphLayout.parseInstance(obj).totalSize());
}
}
對象的訪問定位
句柄訪問
使用句柄訪問方式，Java堆中將可能會劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference 中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自具體的地址信息，其結(jié)構(gòu)如圖所示：
直接訪問
直接指針訪問，Java堆中對象的內(nèi)存布局就必須考慮如何放置訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，reference 中存儲的直接就是對象地址，如果只是訪問對象本身的話，就不需要多一次間接訪問的開銷，如圖下圖所示：
對象訪問方式對比
這兩種對象訪問方式各有優(yōu)勢，使用句柄來訪問的最大好處就是reference中存儲的是穩(wěn)定句柄地址，在對象被移動(垃圾收集時移動對象是非常普遍的行為)時只會改變句柄中的實例數(shù)據(jù)指針，而reference本身不需要被修改。使用直接指針來訪問最大的好處就是速度更快，它節(jié)省了一次指針定位的時間開銷，由于對象訪問在Java中非常頻繁，因此這類開銷積少成多也是一項極為可觀的執(zhí)行成本，就本書討論的主要虛擬機(jī)HotSpot而言，它主要使用第二種方式進(jìn)行對象訪問(有例外情況，如果使用了Shenandoah收集器的話也會有一次額外的轉(zhuǎn)發(fā))，但從整個軟件開發(fā)的范圍來看，在各種語言、框架中使用句柄來訪問的情況也十分常見。
參考資料
《深入理解 JVM 虛擬機(jī) 第三版》周志明
https://www.cnblogs.com/jhxxb/p/10983788.html
https://www.cnblogs.com/maxigang/p/9040088.html
https://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/biasedlocking-oopsla2006-preso-150106.pdf
https://github.com/openjdk/jol
