（3）JVM——对象的创建和内存布局

一、简介

介绍：在开发中，我们大多是使用 new 关键字来创建对象。但是对于对象的创建具体细节和对象在堆内存中的存储布局不怎么了解，此处主要简单介绍一下。

二、对象的创建

概括：对象的创建过程可以简单描述为如图所示。下面进行具体讲解

1. 类加载检查：当 Java 虚拟机遇到 new 执行时，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，则进行相应的类的加载过程。
2. 分配内存：在类加载检查通过后，就需要为新对象分配内存。对象所需内大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上等同于把一块确定大小的内存块从 Java 堆中划分出来。分配方法主要是：指针碰撞 和 空闲列表
   • 指针碰撞：前提是堆内存是绝对规整的。所有被使用过的内存都放在一边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针指向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离。比如：Serial、ParNew
   • 空闲列表：虚拟机维护一个列表，记录了哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。比如：CMS
   • 分配空间有线程安全问题，解决方法两种：① CAS 配上失败重试保证原子性。 ② 线程预分配一小块内存（本地线程分配缓冲TLAB），在进行分配内存时，优先使用本地缓冲区，不够时再进行同步锁定。
3. 初始化零值：内存分配完成之后，虚拟机需要将分配到的内存空间（不包括对象头）都初始化为零值。这步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可以直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
4. 设置对象头：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、对象的哈希吗、对象的 GC 分代年龄等信息，以及根据虚拟机的运行状态来设置是否启用偏向锁等。这些设置都在对象头中。
5. 执行 init 方法：当执行前四步后，从虚拟机来看对象创建已经完成了。但是对于我们开发来说，是还没有完成的，因为我们创建对象一般会有构造方法等来初始化数据(在编译生成的字节码中，构造函数会被命名成 < init>() 方法，参数列表与Java语言书写的构造函数的参数列表相同)，执行完 init 方法后才算构造完成。

三、对象的内存布局

简介：在 HotSpot 虚拟机中，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头、实例数据和对齐填充。

1. 对象头：对象头主要包括两类信息
   • 对象自身的运行数据：如哈希吗、GC 分代年龄、锁状态标志等，这部分数据被称为 “Mark Word”
   • 类型指针：该指针为对象指向它的类型元数据的指针，Java 虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。（如果对象是数组，对象头还需记录数组的长度）
2. 实例数据：这部分数据就是我们程序中定义的各种类型的字段内容，父类变量在子类变量之前。
3. 对齐填充：这部分不是必然存在，也没有含义，是占位符作用。因为要求对象的大小必须是 8 字节的整数倍，如果对象头（已设计好为 8 字节的倍数）和实例数据部分加起来不满足整数倍，则通过对齐填充来补全。

四、对象的访问

简介：Java 程序会通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。具体的实现方式主要是两种：使用句柄和直接指针

1. 句柄访问：Java 堆中将可能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具体的地址信息，结构如下图。

1. 直接指针：堆中的对象需要放置访问类型数据的相关信息，reference 中存储的直接就是对象地址。如下图

优缺点对比：

• 句柄的优点就是 reference 中存储的是稳定句柄地址，在对象移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要被修改
• 直接指针优点就是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。HotSpot 主要使用直接指针，句柄方式在其他语言和框架中使用也多。