java对象实例化内存布局与访问定位

1. 对象实例化方式

• 通过new的方式，例如
  Persion p = new Persion()

• 通过Class的newInstance()
  该方式已经被标记过时，这种创建对象的方式有一定局限性：只能创建构造函数为无参的对象；只能创建构造函数为pulic类型的。

• 通过Constructor的newInstance
  这种方式正好弥补了Class.instance的两种局限性，可以实例化非public、带有参构造器的对象。

• 通过clone的方式
  该方式一定要求被创建的对象所属的类实现Cloneable，但是该方式实现的是浅copy。例如
  Persion p = persion.clone();

• 通过反序列化的方式

2. 对象创建的步骤

1.判断对象所属的类是否加载、链接、初始化

当虚拟机遇到new指令时，就会去检查是否在元空间中运行时常量池中定位到该类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化。如果没有，在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader+包名+类名为key查找对应的.class文件。如果没有找到文件就抛异常ClassNotFoundException，如果找到了就进行类加载，并生成对应的Class对象。

2.为对象分配内存
首先要计算对象所占空间大小，然后在堆中为对象分配相应内存。在计算对象空间大小时，成员变量比如int类型占4个字节，double类型占8个字节，如果成员变量是引用变量，只需要分配引用变量所占空间大小即可，即4个字节。


在堆中分配内存时，有两种方式：

<1> 堆内存是规整的，则使用指针碰撞方法（Bump The Pointer）来为对象分配内存。指针碰撞就是把堆中所有内存已被占用的放一边，空闲的内存放另一边，中间存放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用指针碰撞方式，这种收集器一般带有Compact（整理）过程的收集器，每进行一次垃圾回收就把堆内存规整一遍，便于用指针碰撞方法；
<2>如果内存不规整，已使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，没办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存是可用的，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，并更新列表上的记录，这种分配方式称为空闲列表（Free List）。
选择哪种分配方式由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。

3.处理并发安全问题

在分配空间内存时，另一个问题是及时保证new对象时候的线程安全性：创建对象是非常频繁的操作，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，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情况。解决这个问题有两种方案：
<1> 一种对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新堆内存的原子性；
<2> 另一种操作是把内存分配的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堆中预先分配一块小内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只要本地缓冲区用完了，分配新的缓存时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。具体用法参考[JVM运行数据区]中TLAB用法

4.初始化分配到的空间

内存分配结束后，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步保证了对象的实例字段在java代码中可以不用赋初始值就可以直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

5.设置对象头

虚拟机初始化分配的内存后，还要堆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。

6.执行init方法初始化

在java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造器方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量。
一般来说（由字节码流中new指令后面是否跟随invokespecial指令所决定， Java编译器会在遇到new关键字的地方同时生成该字节码指令， 但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此） ， new指令之后会接着执行< init>()方法， 按照程序员的意愿对对象进行初始化， 这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

3. 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里， 对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分： 对象头（Header)、实例数据（Instance Data） 和对齐填充（Padding）。

对象头

HotSpot虚拟机对象的头部主要包括两部分信息。一部分时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，即对象指向它的类型元数据指针，java虚拟机通过这个指针来确定对象是哪个类的实例。

实例数据

接下来实例数据部分是对象真正存储的有效信息， 即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字 段内容， 无论是从父类继承下来的， 还是在子类中定义的字段都必须记录起来。 这部分的存储顺序会 受到虚拟机分配策略参数（-XX: FieldsAllocationStyle参数） 和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、 ints、 shorts/chars、 bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers， OOPs） ， 从以上默认的分配策略中可以看到， 相同宽度的字段总是被分配到一起存 放， 在满足这个前提条件的情况下， 在父类中定义的变量会出现在子类之前。 如果HotSpot虚拟机的 +XX： CompactFields参数值为true（默认就为true） ， 那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空 隙之中， 以节省出一点点空间。

对齐填充

这并不是必然存在的， 也没有特别的含义， 它仅仅起着占位符的作用。 由于HotSpot虚拟机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， 换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。 对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数（1倍或者2倍） ， 因此， 如果对象实例数据部分没有对齐的话， 就需要通过对齐填充来补全。

4. 对象的访问定位

众说周知，对于Persion persion = new Persion();，其中persion变量存储在虚拟机栈中，Persion对象存储在堆中，而Persion存储的类元信息存储在方法区中。而访问定位就是通过栈上的persion变量如何找到堆中对象的具体位置。对象的访问方式，不同的虚拟机有不同的实现方式，主要分为如下两种形式：
1.句柄访问
如下所示句柄方式，java堆中划分出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，对此通过变量找到对象的句柄，然后通过句柄就可以定位到对象在堆中的具体地址。

2.直接指针
如下所示，使用直接内存方式访问对象，就无须在堆中分配出额外内存用于存放对象的句柄，而是使对象的变量reference直接指向对象的堆中对象具体地址，堆中的对象空间中存放对象类型数据指针，指向方法区中（JDK8中，为元空间）对象的类元信息。

两种方式各有优缺点：
使用对象句柄方式定位对象位置，最大好处就是reference中存储的是稳定 的句柄地址。有些垃圾收集器是只用的压缩整理算法，对象会被移动位置，通过句柄方式，只需要改变句柄中实例对象的数据指针，而无需修改refernece本身。
使用直接指针定位对象，最大好处就是速度快，节省了一次指针定位的开销时间，由于对象访问在java中非常频繁，这类开销积少成多也是一项客观的执行成本。
HotSpot虚拟机采用的是第二种直接内存方式定位对象。