JVM：HotSpot虚拟机对象探秘

1 对象的创建

1.1 检查加载

当虚拟机遇到一条new指令时，首先会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，并且检查这个类是否被加载，解析和初始化过，如果没有，必须先执行相应的类加载过程

1.2 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，内存分配有两种方式，指针碰撞与空闲列表，分配的方式由Java堆是否规整有关

1.2.1 指针碰撞

如果Java堆中内存是规整的，用过的内存放在一边，空闲的内存放在另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就是将指示器向空闲的一边挪动一段与对象大小相等的距离

1.2.2 空闲列表

如果Java堆是不规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没办法简单的进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录那些内存是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例

1.2.3 并发安全

对象的创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也不是并发安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况，解决这个问题有两种方案：

1.2.3.1 CAS机制

对分配内存空间的操作进行同步处理，虚拟机采用CAS加上失败重试的方法保证更新操作的原子性

1.2.3.2 本地线程分配缓冲

Thread Local Allocation Buffer（TLAB），哪个线程要分配内存，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，虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定

1.3 内存空间初始化

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），如果使用TLAB，这一工作也可以提前至TLAB分配时进行，这一步操作保证对象的实例字段在Java代码中可以不赋值就可以直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值

1.4 设置

在上面的步骤之后，虚拟机要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之中。

1.5 对象的初始化

从虚拟机的视角来看，上面的工作完成之后，一个新的对象已经产生了，但从Java程序来看，对象创建才刚刚开始,方法还没执行，所有的字段都还为零，一般来说，执行new指令后会接着执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来

2 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三块区域：对象头，实例数据和对齐填充

2.1 对象头

对象头包含两部分信息

2.1.1 Mark Word

用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码，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

2.1.2 类型指针

对象指向它的类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

2.2 实例数据

是对象真正存储的有效信息，也是在程序中定义的各种类型的字段内容。

2.3 对齐填充

并不是必然存在的，没有特别的含义，起着占位符的作用，由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍，因此当对象实例数据部分没有对齐时，通过对齐填充来补全

3 对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，Java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象，由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位，访问堆中对象的具体位置，所以对象的访问方式取决于虚拟机的具体实现。目前主流的方式有使用句柄和直接使用两种

3.1 使用句柄

Java堆中将划分一块内存作为句柄池，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

3.2 直接指针

reference中存储直接就是对象地址

3.3 两种方式的比较

• 使用句柄访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改
• 使用直接指针访问方式的最大好处就是速度快，它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，这类开销积少成多后是一项非常可观的执行成本。在HotSpot Vm中，使用的是直接指针方式访问对象

4 对象在堆中的内存分配

对象的分配就是在堆上分配

4.1 对象优先在Eden分配

大多数情况下，对象在新生代Eden区分配，当Eden区没有足够的空间时，虚拟机发生一次Minor GC

4.2 大对象直接进入老年代

大对象是指需要大量连续内存空间的对象，最典型的就是那种很长的字符串和数组。
虚拟机提供一个-XX:PretenureSizeThreshold，令大于这个设置值得对象直接在老年代分配，这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存复制

4.3 长期存活的对象进入老年代

如果对象在Eden区出身并经过MinorGC仍然能存活，并且能被Survivor区容纳的话，将被移到Survivor区中，对象年龄设为1，对象在Survivor区中，每经过一次MinorGC，年龄+1，当年龄增加到一定程度时（默认15），就会晋升到老年代中。

年龄的阈值通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold设置

4.4 动态对象年龄判断

如果在Survivor空间中，相同年龄所有对象大小的总和超过Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代。

4.5 空间分配担保

在发生MinorGC之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象的总空间，如果条件成立，那么MinorGC可以确保是安全的，如果不成立，虚拟机会查看HandlePromotionFailure设置值是否允许担保失败，那么将会继续检查老年代的最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试进行一次MinorGC，尽管这次MinorGC是有风险的，如果小于或者不允许冒险，那这时也要改为进行一次FullGC，HotSpot默认是开启空间分配担保的。