JVM系列(三) - JVM对象探秘

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前言

对于 JVM 运行时区域有了一定了解以后，本文将更进一步介绍虚拟机内存中的数据的细节信息。以JVM虚拟机(Hotspot)的内存区域Java堆为例，探讨Java堆是如何创建对象、如何布局对象以及如何访问对象的。

正文

(一). 对象的创建

说到对象的创建，首先让我们看看 Java 中提供的几种对象创建方式：

Header	解释
使用new关键字	调用了构造函数
使用Class的newInstance方法	调用了构造函数
使用Constructor类的newInstance方法	调用了构造函数
使用clone方法	没有调用构造函数
使用反序列化	没有调用构造函数

下面举例说明五种方式的具体操作方式：

 1 Employee.java
 2 
 3 public class Employee implements Cloneable, Serializable {
 4     private static final long serialVersionUID = 1L;
 5     private String name;
 6 
 7     public Employee() {}
 8 
 9     public Employee(String name) {
10         this.name = name;
11     }
12 
13     public String getName() {
14         return name;
15     }
16 
17     public void setName(String name) {
18         this.name = name;
19     }
20 
21     @Override
22     public int hashCode() {
23         final int prime = 31;
24         int result = 1;
25         result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());
26         return result;
27     }
28 
29     @Override
30     public boolean equals(Object obj) {
31         if (this == obj)
32             return true;
33         if (obj == null)
34             return false;
35         if (getClass() != obj.getClass())
36             return false;
37         Employee other = (Employee) obj;
38         if (name == null) {
39             if (other.name != null)
40                 return false;
41         } else if (!name.equals(other.name))
42             return false;
43         return true;
44     }
45 
46     @Override
47     public String toString() {
48         return "Employee [name=" + name + "]";
49     }
50 
51     @Override
52     public Object clone() {
53         Object obj = null;
54         try {
55             obj = super.clone();
56         } catch (CloneNotSupportedException e) {
57             e.printStackTrace();
58         }
59         return obj;
60     }
61 }

1. new关键字

这是最常见也是最简单的创建对象的方式了。通过这种方式，我们可以调用任意的构造函数(无参的和带参数的)。

Employee emp1 = new Employee();

Employee emp1 = new Employee(name);

2. Class类的newInstance方法

我们也可以使用Class类的newInstance方法创建对象。这个newInstance方法调用无参的构造函数创建对象。

方式一：

Employee emp2 = (Employee) Class.forName("org.ostenant.jvm.instance.Employee").newInstance();

方式二：

 Employee emp2 = Employee.class.newInstance();

3. Constructor类的newInstance方法

和Class类的newInstance方法很像， java.lang.reflect.Constructor类里也有一个newInstance方法可以创建对象。我们可以通过这个newInstance方法调用有参数的和私有的构造函数。其中，Constructor可以从对应的Class类中获得。

Constructor<Employee> constructor = Employee.class.getConstructor();
Employee emp3 = constructor.newInstance();

这两种newInstance方法就是大家所说的反射。事实上Class的newInstance方法内部调用Constructor的newInstance方法。

4. Clone方法

无论何时我们调用一个对象的clone方法，JVM都会创建一个新的对象，将前面对象的内容全部拷贝进去。用clone方法创建对象并不会调用任何构造函数。

为了使用clone方法，我们需要先实现Cloneable接口并实现其定义的clone方法。

 Employee emp4 = (Employee) emp3.clone();

5. 反序列化

当我们序列化和反序列化一个对象，JVM会给我们创建一个单独的对象。在反序列化时，JVM创建对象并不会调用任何构造函数。

为了反序列化一个对象，我们需要让我们的类实现Serializable接口。

ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(out);
oos.writeObject(emp4);

ByteArrayInputStream in = new ByteArrayInputStream(oos.toByteArray());
ObjectInputStream ois =new ObjectInputStream(in);

Employee emp5 = (Employee) in.readObject();

本文以new关键字为例，讲述JVM堆中对象实例的创建过程如下：

当虚拟机遇到一条new指令时，首先会检查这个指令的参数能否在常量池中定位一个符号引用。然后检查这个符号引用的类字节码对象是否加载、解析和初始化。如果没有，将执行对应的类加载过程。
类加载完成以后，虚拟机将会为新生对象分配内存区域，对象所需内存空间大小在类加载完成后就已确定。
内存分配完成以后，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值。
虚拟机对对象进行一系列的设置，如所属类的元信息、对象的哈希码、对象GC分带年龄、线程持有的锁、偏向线程ID 等信息。这些信息存储在对象头 (Object Header)。

上述工作完成以后，从虚拟机的角度来说，一个新的对象已经产生了。然而，从Java程序的角度来说，对象创建才刚开始。

## (二). 对象的布局

HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头

在HotSpot虚拟机中，对象头有两部分信息组成：运行时数据和类型指针。

1. 运行时数据用于存储对象自身运行时的数据，如哈希码（hashCode）、GC分带年龄、线程持有的锁、偏向线程ID 等信息。

这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（暂不考虑开启压缩指针的场景）中分别为32个和64个Bit，官方称它为 “Mark Word”。

在32位的HotSpot虚拟机中对象未被锁定的状态下，Mark Word的32个Bit空间中的25Bit用于存储对象哈希码（HashCode），4Bit用于存储对象分代年龄，2Bits用于存储锁标志位，1Bit固定为0。

在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示：

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	膨胀（重量级锁定）
空，不需要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

2. 类型指针指向实例对象的类元数据的指针，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。

实例数据

实例数据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该类自身的，都需要记录下来，而这部分的存储顺序受虚拟机的分配策略和定义的顺序的影响。

默认分配策略：

long/double -> int/float -> short/char -> byte/boolean -> reference

如果设置了-XX:FieldsAllocationStyle=0（默认是1），那么引用类型数据就会优先分配存储空间：

reference -> long/double -> int/float -> short/char -> byte/boolean

结论：

分配策略总是按照字节大小由大到小的顺序排列，相同字节大小的放在一起。

对齐填充

HotSpot虚拟机要求每个对象的起始地址必须是8字节的整数倍，也就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（32位为1倍，64位为2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐的时候，就需要通过对齐填充来补全。

(三). 对象的访问定位

Java程序需要通过 JVM 栈上的引用访问堆中的具体对象。对象的访问方式取决于 JVM 虚拟机的实现。目前主流的访问方式有句柄和直接指针两种方式。

指针：指向对象，代表一个对象在内存中的起始地址。句柄：可以理解为指向指针的指针，维护着对象的指针。句柄不直接指向对象，而是指向对象的指针（句柄不发生变化，指向固定内存地址），再由对象的指针指向对象的真实内存地址。

1. 句柄

Java堆中划分出一块内存来作为句柄池，引用中存储对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与对象类型数据各自的具体地址信息，具体构造如下图所示：

优势：引用中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而引用本身不需要修改。

2. 直接指针

如果使用直接指针访问，引用中存储的直接就是对象地址，那么Java堆对象内部的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息。

优势：速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是非常可观的执行成本。

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