HotSpot虛擬機(jī)下對象的生命周期、對象的創(chuàng)建及在Java堆中對象的內(nèi)存分配、布局和對象的訪問

一、對象的生命周期

對象的生命周期主要分為創(chuàng)建、使用、銷毀這三大階段。從它被創(chuàng)建的一刻開始，到它被垃圾收集器（Garbage Collector）回收的一刻結(jié)束

• 對象的創(chuàng)建。包括：1、類的加載 2、內(nèi)存的分配 3、初始化零值 4、設(shè)置對象頭 5、執(zhí)行init方法（具體操作步驟請看上述內(nèi)容，其中步驟1的類加載還包括類的加載過程及類加載器及雙親委派型型）
• 對象的使用。對象創(chuàng)建后就可以被使用，可以被其他的對象使用或是被直接使用，如果一個對象沒有被其他任何對象引用它，那么它就處于可回收狀態(tài)。
• 對象的銷毀。當(dāng)對象不再被引用，或者程序結(jié)束時，垃圾收集器會將其標(biāo)記為可回收。具體的回收時間取決于垃圾收集器的運行策略。一旦對象被回收，它就不再存在

二、對象的創(chuàng)建

Step1：類加載檢查

虛擬機(jī)遇到一條new指令時，首先將檢查是否能在常量池中定位到這個類的符號引用，并且檢查這個符號引用代表的類是否已被加載過、驗證、準(zhǔn)備、解析過和初始化過。如果沒有，那必須先執(zhí)行相應(yīng)類加載過程。

（注意：
Java虛擬機(jī)中類的符號引用和方法的符號引用都存放在運行時常量池中，運行時常量池是方法區(qū)的一部分區(qū)域。運行時常量池是在類加載后在內(nèi)存中分配的一塊區(qū)域，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用。在類裝載后，JVM會從class文件的常量池中把符號引用存放到運行時常量池中，并進(jìn)行解析，生成直接引用。）

Step2：分配內(nèi)存

在類加載檢查通過后，接下來虛擬機(jī)將為新生對象分配內(nèi)存。對象所需的內(nèi)存大小在類加載完成后便可確定，為對象分配空間的任務(wù)等同于把一塊確定大小的內(nèi)存從 Java 堆中劃分出來。
分配方式有 “指針碰撞” 和 “空閑列表” 兩種，選擇哪種分配方式由 Java 堆是否規(guī)整決定（即Java堆內(nèi)存是否連續(xù)），而 Java 堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。

問題一：內(nèi)存分配的兩種方式

指針碰撞：

• 適用場合：堆內(nèi)存規(guī)整（即內(nèi)存連續(xù)，沒有內(nèi)存碎片）的情況下。
• 原理：用過的內(nèi)存全部整合到一邊，沒有用過的內(nèi)存放在另一邊，中間有一個分界指針，只需要向著沒用過的內(nèi)存方向?qū)⒃撝羔樢苿訉ο髢?nèi)存大小位置即可。
• 使用該分配方式的 GC 收集器：Serial, ParNew

空閑列表

• 適用場合：堆內(nèi)存不規(guī)整的情況下（內(nèi)存不連續(xù)）。
• 原理：虛擬機(jī)會維護(hù)一個列表，該列表中會記錄哪些內(nèi)存塊是可用的，在分配的時候，找一塊兒足夠大的內(nèi)存塊兒來劃分給對象實例，最后更新列表記錄。
• 使用該分配方式的 GC 收集器：CMS

問題二：內(nèi)存分配并發(fā)問題

在創(chuàng)建對象的時候有一個很重要的問題，就是線程安全，因為在實際開發(fā)過程中，創(chuàng)建對象是很頻繁的事情，作為虛擬機(jī)來說，必須要保證線程是安全的，通常來講，虛擬機(jī)采用兩種方式來保證線程安全：

• CAS+失敗重試： CAS是樂觀鎖的一種實現(xiàn)方式。所謂樂觀鎖就是，每次不加鎖而是假設(shè)沒有沖突而去完成某項操作，如果因為沖突失敗就重試，直到成功為止。虛擬機(jī)采用
  CAS 配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性。
• TLAB（Thread Local Allocation Buffer 線程本地緩沖區(qū)）： 為每一個線程預(yù)先在 Eden 區(qū)（堆的一塊內(nèi)存區(qū)域）分配一塊兒內(nèi)存，JVM 在給線程中的對象分配內(nèi)存時，首先在 TLAB 分配，當(dāng)對象大于 TLAB 中的剩余內(nèi)存或 TLAB 的內(nèi)存已用盡時，再采用上述的 CAS 進(jìn)行內(nèi)存分配
  所以JVM虛擬機(jī)給對象分配內(nèi)存是通過TLAB（線程本地緩沖區(qū)技術(shù)）和CAS原子操作來保證線程安全的。

Step3：初始化零值

內(nèi)存分配完成后，Java虛擬機(jī)會將分配到內(nèi)存空間的實例變量都初始化為零值或者空（不包括對象頭，即類對象下的屬性變量初始化為零或者空），這一步操作保證了對象實例字段在Java代碼中可以不賦初始值就直接使用

Step4：設(shè)置對象頭

初始化零值完成后，虛擬機(jī)要對對象進(jìn)行必要的設(shè)置，如：對象所屬的類的元數(shù)據(jù)信息、對象鎖的狀態(tài)、對象的哈希碼、對象的GC相關(guān)信息等，這些信息存放在對象頭中，即需要設(shè)置對象頭（對象頭會有不同的設(shè)置方式）。

問題：什么是對象頭，舉例說明一下呢？

對象頭（Object Header）是Java對象實例在內(nèi)存中的固定長度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由Java虛擬機(jī)負(fù)責(zé)分配和管理。它包含了對象實例的運行時信息，如對象所屬的類的元數(shù)據(jù)信息、對象的鎖狀態(tài)、GC相關(guān)信息等。通常情況下，對象頭的長度在32位和64位虛擬機(jī)中是不同的。在32位虛擬機(jī)中，對象頭占用8個字節(jié)，在64位虛擬機(jī)中，對象頭占用12個或16個字節(jié)（具體長度取決于虛擬機(jī)實現(xiàn)）。

舉個例子如下：
假設(shè)有一個名為Person的類，它的定義如下：

public class Person {
    private int id;
    private String name;
    private int age;
    
    // ...其它類成員省略...
}

當(dāng)我們創(chuàng)建一個Person對象時，Java虛擬機(jī)會為該對象分配一塊內(nèi)存空間，其中包括對象頭和實例變量。假設(shè)創(chuàng)建一個Person對象p1，它的內(nèi)存結(jié)構(gòu)大概如下（這里以32位虛擬機(jī)為例）：

[對象頭 8B] [id變量 4B] [name變量 4B] [age變量 4B] [ padding 4B ]

其中，對象頭8個字節(jié)的內(nèi)容包含了Person類的元數(shù)據(jù)信息、對象的鎖狀態(tài)、GC相關(guān)信息等。實例變量包括了id、name和age三個變量，它們的值在初始化零值操作后會被賦為0或null，具體取決于變量的類型。

在后續(xù)的操作中，我們可以使用該對象的實例變量和方法，也可以使用Java虛擬機(jī)提供的API對對象頭進(jìn)行操作，以實現(xiàn)各種功能。例如，我們可以使用synchronized語句塊來實現(xiàn)多線程同步，這需要Java虛擬機(jī)在對象頭中記錄鎖狀態(tài)，這樣就可以對對象進(jìn)行加鎖和解鎖。

Step5：執(zhí)行init方法

上面工作完成后，從虛擬機(jī)的角度來看，一個新的對象已經(jīng)產(chǎn)生了。
但是從java程序的角度出發(fā)，對象的創(chuàng)建才開始，init 方法（構(gòu)造方法）還沒有執(zhí)行，所有字段都還為零或空。
所以一般來說，執(zhí)行new指令后會接著執(zhí)行init 方法，將對象按照程序員的意愿進(jìn)行初始化，這樣一個真正可用的對象才算完全產(chǎn)生出來。

三、對象的內(nèi)存分布

在 Hotspot 虛擬機(jī)中，對象在內(nèi)存中的布局可以分為 3 塊區(qū)域：對象頭、實例數(shù)據(jù)和對齊填充。

• Hotspot 虛擬機(jī)的對象頭包括兩部分信息，第一部分用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)（哈希碼、GC 分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志等等），另一部分是類型指針，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。
• 實例數(shù)據(jù)部分：存儲的是對象真正的有效信息，即在程序中定義的各種類型的字段內(nèi)容。
• 對齊填充部分：對齊填充部分不是必然存在的，也沒有什么特殊的含義，僅僅起到占位作用。因為Hotspot虛擬機(jī)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。而對象頭正好是8字節(jié)的倍數(shù)（1倍或2倍），因此當(dāng)對象的實例數(shù)據(jù)部分沒有對齊時就需要通過對齊填充來補全。

四、對象的訪問定位

對象的實例會存放在堆中，如何訪問到，那么如何訪問到對象呢？

java程序通過棧上的reference數(shù)據(jù)來操作堆上的具體對象。對象的訪問方式由虛擬機(jī)實現(xiàn)而定，目前主流的訪問方式：使用句柄、直接指針。

• （一）句柄
  如果使用句柄方式的話，那么java堆中將會劃分出一塊內(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)與對象類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息。
  
  優(yōu)點：
  使用句柄方式訪問對象最大的好處是reference中存儲的是穩(wěn)定的句柄地址，在對象被移動時（垃圾回收會造成堆中對象地址變動），只需要同步變動句柄池中對象實例數(shù)據(jù)指針即可。
  缺點：
  訪問對象需要多訪問一次句柄池，多了一次指針定位的開銷。

• （二）直接指針
  使用直接指針方式訪問，reference中存儲的就是堆中的對象地址，相比與使用句柄訪問節(jié)省了一次指針定位的時間開銷。而我們的Java應(yīng)用中，訪問對象是非常頻繁的，所以都使用直接指針的訪問方式一步到位。HotSpot虛擬機(jī)主要使用的就是這種方式來進(jìn)行對象訪問。
  文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-599992.html

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