深入理解Java虚拟机—02：Java堆中的对象

一、对象的创建过程

1.虚拟机遇到一条new指令时，首先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。

2.在类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。假设Java堆中内存是绝对规整的，采用 “指针碰撞” 的分配方式；如果内存并不规整，采用 “空闲列表” 的分配方式。选择哪一种分配方式由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。

并发情况下的两种内存分配方案：

一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；
另一种是把内存分配动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲区（TLAB）。那个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。

3.内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）。这一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，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

4.虚拟机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（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同（如是否启用偏向锁），对象头会有不同的设置方式。

从虚拟机角度，完成上面的工作后，一个新的对象已经产生了；但从Java程序对的角度，对象创建才刚刚开始——<init>方法还没有执行，所有字段都还为零。

所以，一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），执行new指令后会接着执行<init>方法，然后按照程序员的意愿进行初始化后，一个真正可用的对象才算完全产生出来。

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）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

1.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，如哈希码（HashCode）、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。
另一部分是类型指针，即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哪个类的实例。（虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。）

2.实例数据

这部分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。有从父类继承下来的，也有在子类中定义的。存储的顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响。

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HotSpot虚拟机默认的分配策略为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略可以看出：

前提：相同宽度的字段总是被分配到一起
在父类中定义的变量会出现在子类之前
如果CompactField 参数值为true（默认为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。

3.对齐填充

仅仅起着占位符的作用。

原因：HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象的大小必须是8字节的整数倍。对象头部分正好是8字节的1倍或2倍，因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

三、对象的访问定位

Java程序需要通过栈上的reference 数据来操作堆上的具体对象。reference 类型只规定了一个指向对象的引用，但这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中对象的具体位置呢？

这个还是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有两种：句柄和直接指针。

如果使用句柄访问的话，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具体地址信息。
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。

两种访问方式各自的好处：

句柄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reference本身不需要修改。
直接指针访问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。

所以，各种语言和框架常使用句柄来访问；使用直接指针进行对象访问。

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