虚拟机在java堆中对象分配、布局和访问的过程

2019-08-05 791

虚拟机在java堆中对象分配、布局和访问的过程

一、对象的创建

从java程序，new指令开始

类加载

类加载通过后，内存分配

对象所需内存的大小在类加载完成后就可以完全确定，为对象分配空间的任务等于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。
两种方法：
- 指针碰撞
假如，java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存和空闲的内存分为两部分，中间放一个指针作为分界点的指示器，那分配内存
- 空闲列表
假如，java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空间的内存相互交错，如此虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，
分配方式的选择取决于：java堆是否规整;Java堆是否规整取决于：所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能。
实例
- 在使用Serial、ParNew等带有Compact过程的收集器时，系统采用分配算法为：指针碰撞;
- 使用CMS，基于 Mark-Sweep算法的收集器时，系统采用分配算法为：空闲列表。

对象创建的线程安全问题

问题描述

对象创建在虚拟机中的行为非常频繁，即使只是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，有可能出现正在给对象A分配
内存，指针还没有修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。
解决方法，有两种:
- 1 对分配空间的动作进行同步处理
实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性;
- CAS（比较与交换，Compare and swap）是一种有名的无锁算法。（ConcurrentHashMap也用到了此算法）
- 2 本地线程分配缓冲

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堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Tlab）。

虚拟机是否使用Tlab,可以通过-XX：+/-UseTlab参数来设定

对象内存分配完成后，虚拟机把内存空间初始化

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），如果使用Tlab,初始化操作可以提前至Tlab分配时进行。
目的：

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，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的的零值。

修饰对象

虚拟机对对象进行必要的设置。其实是对象头。
对象头中包括：对象的哈希码、对象的Gc分代年龄、此对象是哪个类的实例、类的元数据信息的指示等；
根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

从虚拟机的角度，一个新的对象已经产生。

从java程序的角度，对象创建才刚刚开始，init方法还没有执行，所有的字段都为零。

一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），执行new 指令之后会接着执行方法，
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产生。

二、对象的内存布局

对象在内存中布局分配分为三个部分

对象头
实例数据
对齐填充

1 对象头

如图:
第一部分

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，
第二部分

类型指针，即对象指向它的类元素数据的指针，虚拟机通过该指针确定对象的实例是哪个类。

2 实例数据

对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。
包括父类继承的，子类定义的;
存儲順序: 虚拟机分配策略参数和字段在java源码中定义的顺序 ;
hotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、 shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers),
相同宽度的字段被分配到一起。在这个前提下，父类中定义的变量会出现在子类之前。

3 对齐填充

不是必须存在的，只是占位符的作用。
因为对象的大小必须是8字节的整数倍。对象头部分正好是8字节的倍数，当对象实例数据部分没有对齐时，通过对齐填充补全。

三、访问

访问方式有2个

句柄和指针

句柄访问

存储位置：java 堆中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;
包含信息：对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。

指针访问

reference 存储的直接就是对象地址。
问题：考虑java堆对象的布局中存放访问类型数据的相关信息。

优劣

句柄

reference中存储的是稳定的句柄地址，对象被移动时，只改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。（在垃圾收集时移动对象时普遍的）

指针

速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。--由于对象的访问在java非常频繁。（积少成多）

Sun HotSpot 采用第二种方式

参考： java虚拟机第二版

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原文链接：https://yq.aliyun.com/articles/712791

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