HotSpot虚拟机对象探秘(new之后虚拟机干了什么)

发布于:2021-07-25 22:15:46

一、对象的创建

    虚拟机遇到一条new指令时:首先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。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把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。在使用Serial、Parnew等带Compact过程的收集器时,系统采用的分配算法是指针碰撞,而是用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时,通常采用空闲列表。内存分配完成后,虚拟机要将分配到的内存空间都初始化为零(不包括对象头),如果使用TLAB(Thread Local Allocation Buffer),这一工作可提前至TLAB分配时进行。这一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,程序能访问到对应字段的零值。接下来,虚拟机要对对象头进行必要的设置,例如这个对象是那个类的实例、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。根据虚拟机当前的运行状态不同,如是否启用偏向锁等,对象头会有不同的设置方式。在上面的任务完成后从虚拟机的角度来看,一个对象已经产生了,但从Java程序的视角来看,所有的字段值为0,所以一般来说(由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定),执行new指令后还会接着执行方法,把对象按照程序员的意愿来进行初始化。

二、对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:对象头(Header)、示例数据(Instance Data)、对齐填充(Padding)。


1.对象头
如果对象是数组类型,则虚拟机用3个字宽(Word)存储对象头,如果对象是非数组类型,则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中,1字宽等于4字节,即32bit。(64位中1字宽=8字节=64bit)如表所示


长度内容说明
32/64bitMark Word存储对象的hashCode或锁信息等
32/64bitClass Metadata Address存储到对象类型数据的指针
32/32bitArray length数组的长度(如果当前对象是数组)

a)Java对象头的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标志位。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如表所示


锁状态25bit4bit1bit是否偏向锁2bit锁标志位
无锁状态对象的hashCode对象分代年龄001

对象需要存储的运行时数据很多,其实已经超出了32位、64位、Bitmap结构所能记录的限度,但是对象头信息是与对象自定义的数据无关的额外存储成本,考虑到虚拟机的空间效率,Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息,Mark Word里存储的数据会跟着锁标志位的变化而变化,复用自己的存储空间。Mark Word可能变化为存储以下4种数据,如表所示


锁状态25bit4bit1bit2bit
23bit2bit是否是偏向锁锁标志位
轻量级锁指向栈中所记录的指针00
重量级锁指向互斥量(重量级锁)的指针10
GC标志11
偏向锁线程IDEpoch对象分代年龄101

b)对象头的另一部分是Class Metadata Address,及对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例。


2.实例数据


这部分是对象真正存储的有效信息,无论是从父类继承下来的,还是在子类中定义的,都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(FiledsAllocationStyle)字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Poninters),从分配策略中可以看出,相同宽度的字段总是分配到一起。在满足这前提条件下,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(默认为true),那么子类之中比较窄的变量可能会插入到父类的空隙之间。


3.对齐填充
对齐填充并不是必然存在的,也没有特别的含义,由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象的起始地址必须为8字节的整数倍,换句话说,对象的大小必须是8字节的整数倍。当对象实例部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。


三、对象的访问定位

建立对象是为了使用对象,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。Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,并没指出这个引用应该通过何种方式来定位、访问对象中的对象的具体位置。所以对象访问方式也是取决于虚拟机的实现决定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。


    如果使用句柄访问,那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的地址信息,如图

    2.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,二reference中存储的直接就是对象地址,如图

这两种方式访问方式各有优势,使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动(垃圾收集是移动是很常见的)时只会改变句柄中的实例指针,而reference本身不需要修改。
使用指针访问方式的最大好处就是速度更快,他节省了一次指针定位的时间开销,由于对象的访问在Java中十分频繁,因此这类的开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。Sun HotSpot中采用的是使用直接指针访问。



参考书籍
《深入理解Java虚拟机》-周志明 著
《Java并发编程的艺术》 -芳腾飞 魏鹏 程晓明 著
《Java虚拟机规范》 -林德霍尔姆 著


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