基于實(shí)用優(yōu)先的原則，以常用的虛擬機(jī)HotSpot和常用的內(nèi)存區(qū)域Java堆為例，深入探討HotSpot虛擬機(jī)在Java堆中對(duì)象分配、布局和訪問的全過程。以下是本節(jié)內(nèi)容的腦圖。
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HotSpot虛擬機(jī)對(duì)象探秘腦圖
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一、 對(duì)象的創(chuàng)建
創(chuàng)建對(duì)象大致分為5步：1.檢查類是否加載，沒有加載先加載類 2.分配內(nèi)存 3.初始化 4.設(shè)置對(duì)象頭 5.執(zhí)行初始化方法 例如構(gòu)造方法等。
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1、類加載檢查
虛擬機(jī)遇到一條new指令時(shí)，首先將去檢查這個(gè)指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到一個(gè)類的符號(hào)引用，并且檢查這個(gè)符號(hào)引用代表的類是否已被加載、解析和初始化過。如果沒有，那必須先執(zhí)行相應(yīng)的類加載過程，本書第7章將探討這部分內(nèi)容的細(xì)節(jié)。
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2、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(duì)象分配內(nèi)存。對(duì)象所需內(nèi)存的大小在類加載完成后便可完全確定
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2.1 分配內(nèi)存方式
2.1.1 指針碰撞
假設(shè)Java堆中內(nèi)存是絕對(duì)規(guī)整的，所有用過的內(nèi)存都放在一邊，空閑的內(nèi)存放在另一邊，中間放著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器，那所分配內(nèi)存就僅僅是把那個(gè)指針向空閑空間那邊挪動(dòng)一段與對(duì)象大小相等的距離，這種分配方式稱為“指針碰撞”（Bump the Pointer）。
指針碰撞
2.1.2 空閑列表
如果Java堆中的內(nèi)存并不是規(guī)整的，已使用的內(nèi)存和空閑的內(nèi)存相互交錯(cuò)，那就沒有辦法簡(jiǎn)單地進(jìn)行指針碰撞了，虛擬機(jī)就必須維護(hù)一個(gè)列表，記錄上哪些內(nèi)存塊是可用的，在分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對(duì)象實(shí)例，并更新列表上的記錄，這種分配方式稱為“空閑列表”（Free List）。
空閑列表
2.1.3 分配內(nèi)存方式總結(jié)
選擇哪種分配方式由Java堆是否規(guī)整決定，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。因此，在使用Serial、ParNew等帶Compact過程的收集器時(shí)，系統(tǒng)采用的分配算法是指針碰撞，而使用CMS這種基于Mark-Sweep算法的收集器時(shí)，通常采用空閑列表。
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2.2 解決分配內(nèi)存時(shí)線程安全問題
對(duì)象創(chuàng)建在虛擬機(jī)中是非常頻繁的行為，即使是僅僅修改一個(gè)指針?biāo)赶虻奈恢?，在并發(fā)情況下也并不是線程安全的，可能出現(xiàn)正在給對(duì)象A分配內(nèi)存，指針還沒來得及修改，對(duì)象B又同時(shí)使用了原來的指針來分配內(nèi)存的情況。解決這個(gè)問題有兩種方案：
2.2.1 同步處理
一種是對(duì)分配內(nèi)存空間的動(dòng)作進(jìn)行同步處理，實(shí)際上虛擬機(jī)采用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性；
2.2.2 本地線程分配緩沖（TLAB）
另一種是把內(nèi)存分配的動(dòng)作按照線程劃分在不同的空間之中進(jìn)行，即每個(gè)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（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。哪個(gè)線程要分配內(nèi)存，就在哪個(gè)線程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB時(shí)，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)來設(shè)定。
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3、初始化
內(nèi)存分配完成后，虛擬機(jī)需要將分配到的內(nèi)存空間都初始化為零值（不包括對(duì)象頭），如果使用TLAB，這一工作過程也可以提前至TLAB分配時(shí)進(jìn)行。這一步操作保證了對(duì)象的實(shí)例字段在Java代碼中可以不賦初始值就直接使用，程序能訪問到這些字段的數(shù)據(jù)類型所對(duì)應(yīng)的零值。
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4、設(shè)置對(duì)象頭
接下來，虛擬機(jī)要對(duì)對(duì)象進(jìn)行必要的設(shè)置，例如這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息、對(duì)象的哈希碼、對(duì)象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對(duì)象的對(duì)象頭（Object Header）之中。根據(jù)虛擬機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)的不同，如是否啟用偏向鎖等，對(duì)象頭會(huì)有不同的設(shè)置方式
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5、執(zhí)行初始化方法
在上面工作都完成之后，從虛擬機(jī)的視角來看，一個(gè)新的對(duì)象已經(jīng)產(chǎn)生了，但從Java程序的視角來看，對(duì)象創(chuàng)建才剛剛開始——<init>方法還沒有執(zhí)行，所有的字段都還為零。所以，一般來說（由字節(jié)碼中是否跟隨invokespecial指令所決定），執(zhí)行new指令之后會(huì)接著執(zhí)行<init>方法，把對(duì)象按照程序員的意愿進(jìn)行初始化，這樣一個(gè)真正可用的對(duì)象才算完全產(chǎn)生出來。
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二、對(duì)象的內(nèi)存布局
在HotSpot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可以分為3塊區(qū)域：對(duì)象頭（Header）、實(shí)例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對(duì)齊填充（Padding）。
Java對(duì)象的內(nèi)存布局
數(shù)組對(duì)象與普通對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)區(qū)別在于數(shù)組的對(duì)象頭里面多了一個(gè)數(shù)組的長(zhǎng)度。
數(shù)組對(duì)象與普通對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)區(qū)別
1、對(duì)象頭
HotSpot虛擬機(jī)的對(duì)象頭包括兩部分信息，第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長(zhǎng)度在32位和64位的虛擬機(jī)（未開啟壓縮指針）中分別為32bit和64bit，官方稱它為“Mark Word”。
對(duì)象頭
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對(duì)象需要存儲(chǔ)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)很多，其實(shí)已經(jīng)超出了32位、64位Bitmap結(jié)構(gòu)所能記錄的限度，所以它會(huì)根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間。例如，在32位的HotSpot虛擬機(jī)中，如果對(duì)象處于未被鎖定的狀態(tài)下，那么Mark Word的32bit空間中的25bit用于存儲(chǔ)對(duì)象哈希碼，4bit用于存儲(chǔ)對(duì)象分代年齡，2bit用于存儲(chǔ)鎖標(biāo)志位，1bit固定為0，而在其他狀態(tài)（輕量級(jí)鎖定、重量級(jí)鎖定、GC標(biāo)記、可偏向）下對(duì)象的存儲(chǔ)內(nèi)容如下圖。
表2-1 HotSpot虛擬機(jī)對(duì)象頭Mark Word
64位虛擬機(jī)對(duì)象頭
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2、實(shí)例數(shù)據(jù)
實(shí)例數(shù)據(jù)部分是對(duì)象真正存儲(chǔ)的有效信息，也是在程序代碼中所定義的各種類型的字段內(nèi)容。無論是從父類繼承下來的，還是在子類中定義的，都需要記錄起來。
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3、對(duì)齊填充
對(duì)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(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對(duì)象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，換句話說，就是對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。而對(duì)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(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)部分沒有對(duì)齊時(shí)，就需要通過對(duì)齊填充來補(bǔ)全。
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三、對(duì)象的訪問定位
對(duì)象訪問方式也是取決于虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)而定的。目前主流的訪問方式有使用句柄和直接指針兩種。
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1、句柄
如果使用句柄訪問的話，那么Java堆中將會(huì)劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference中存儲(chǔ)的就是對(duì)象的句柄地址，而句柄中包含了對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息，如圖2-2所示。
圖2-2 通過句柄訪問對(duì)象
2、直接指針
如果使用直接指針訪問，那么Java堆對(duì)象的布局中就必須考慮如何放置訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，而reference中存儲(chǔ)的直接就是對(duì)象地址，如圖2-3所示。
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圖2-3 通過直接指針訪問對(duì)象
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對(duì)象的訪問定位總結(jié)
這兩種對(duì)象訪問方式各有優(yōu)勢(shì)：
使用句柄來訪問的最大好處就是reference中存儲(chǔ)的是穩(wěn)定的句柄地址，在對(duì)象被移動(dòng)（垃圾收集時(shí)移動(dòng)對(duì)象是非常普遍的行為）時(shí)只會(huì)改變句柄中的實(shí)例數(shù)據(jù)指針，而reference本身不需要修改。
使用直接指針訪問方式的最大好處就是速度更快，它節(jié)省了一次指針定位的時(shí)間開銷，由于對(duì)象的訪問在Java中非常頻繁，因此這類開銷積少成多后也是一項(xiàng)非?？捎^的執(zhí)行成本。文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-624344.html
就本書討論的主要虛擬機(jī)Sun HotSpot而言，它是使用第二種方式進(jìn)行對(duì)象訪問的，但從整個(gè)軟件開發(fā)的范圍來看，各種語(yǔ)言和框架使用句柄來訪問的情況也十分常見。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-624344.html
到了這里，關(guān)于《深入理解Java虛擬機(jī)》讀書筆記：HotSpot虛擬機(jī)對(duì)象探秘的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
