JVM系列(三) - JVM對象探秘

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前言

對於 JVM 運行時區域有了一定了解以後，本文將更進一步介紹虛擬機內存中的數據的細節信息。以JVM虛擬機(Hotspot)的內存區域Java堆為例，探討Java堆是如何創建對象、如何布局對象以及如何訪問對象的。

正文

(一). 對象的創建

說到對象的創建，首先讓我們看看 Java 中提供的幾種對象創建方式：

下面舉例說明五種方式的具體操作方式：

 1 Employee.java
 2 
 3 public class Employee implements Cloneable, Serializable {
 4     private static final long serialVersionUID = 1L;
 5     private String name;
 6 
 7     public Employee() {}
 8 
 9     public Employee(String name) {
 
10         this.name = name;
11     }
12 
13     public String getName() {
14         return name;
15     }
16 
17     public void setName(String name) {
18         this.name = name;
19     }
20 
21     @Override
22     public int hashCode() {
23         final int prime = 31;
24         int result = 1;
 
25         result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());
26         return result;
27     }
28 
29     @Override
30     public boolean equals(Object obj) {
31         if (this == obj)
32             return true;
33         if (obj == null)
34             return false;
35         if (getClass() != obj.getClass())
36             return false;
37         Employee other = (Employee) obj;
38         if (name == null) {
39             if (other.name != null)
40                 return false;
41         } else if (!name.equals(other.name))
42             return false;
43         return true;
44     }
45 
46     @Override
47     public String toString() {
48         return "Employee [name=" + name + "]";
49     }
50 
51     @Override
52     public Object clone() {
53         Object obj = null;
54         try {
55             obj = super.clone();
56         } catch (CloneNotSupportedException e) {
57             e.printStackTrace();
58         }
59         return obj;
60     }
61 }

1. new關鍵字

這是最常見也是最簡單的創建對象的方式了。通過這種方式，我們可以調用任意的構造函數(無參的和帶參數的)。

Employee emp1 = new Employee();

Employee emp1 = new Employee(name);

2. Class類的newInstance方法

我們也可以使用Class類的newInstance方法創建對象。這個newInstance方法調用無參的構造函數創建對象。

• 方式一：

Employee emp2 = (Employee) Class.forName("org.ostenant.jvm.instance.Employee").newInstance();

• 方式二：

 Employee emp2 = Employee.class.newInstance(); 

3. Constructor類的newInstance方法

和Class類的newInstance方法很像， java.lang.reflect.Constructor類裏也有一個newInstance方法可以創建對象。我們可以通過這個newInstance方法調用有參數的和私有的構造函數。其中，Constructor可以從對應的Class類中獲得。

Constructor<Employee> constructor = Employee.class.getConstructor();
Employee emp3 = constructor.newInstance();

這兩種newInstance方法就是大家所說的反射。事實上Class的newInstance方法內部調用Constructor的newInstance方法。

4. Clone方法

無論何時我們調用一個對象的clone方法，JVM都會創建一個新的對象，將前面對象的內容全部拷貝進去。用clone方法創建對象並不會調用任何構造函數。

為了使用clone方法，我們需要先實現Cloneable接口並實現其定義的clone方法。

 Employee emp4 = (Employee) emp3.clone(); 

5. 反序列化

當我們序列化和反序列化一個對象，JVM會給我們創建一個單獨的對象。在反序列化時，JVM創建對象並不會調用任何構造函數。

為了反序列化一個對象，我們需要讓我們的類實現Serializable接口。

ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(out);
oos.writeObject(emp4);

ByteArrayInputStream in = new ByteArrayInputStream(oos.toByteArray());
ObjectInputStream ois =new ObjectInputStream(in);

Employee emp5 = (Employee) in.readObject();

本文以new關鍵字為例，講述JVM堆中對象實例的創建過程如下：

1. 當虛擬機遇到一條new指令時，首先會檢查這個指令的參數能否在常量池中定位一個符號引用。然後檢查這個符號引用的類字節碼對象是否加載、解析和初始化。如果沒有，將執行對應的類加載過程。

2. 類加載 完成以後，虛擬機將會為新生對象分配內存區域，對象所需內存空間大小在類加載完成後就已確定。

3. 內存分配 完成以後，虛擬機將分配到的內存空間都初始化為零值。

4. 虛擬機對對象進行一系列的設置，如所屬類的元信息、對象的哈希碼、對象GC分帶年齡 、線程持有的鎖 、偏向線程ID 等信息。這些信息存儲在對象頭 (Object Header)。

上述工作完成以後，從虛擬機的角度來說，一個新的對象已經產生了。然而，從Java程序的角度來說，對象創建才剛開始。

HotSpot虛擬機中，對象在內存中存儲的布局可以分為三塊區域：對象頭（Header）、實例數據（Instance Data）和對齊填充（Padding）。

對象頭

在HotSpot虛擬機中，對象頭有兩部分信息組成：運行時數據 和 類型指針。

1. 運行時數據 用於存儲對象自身運行時的數據，如哈希碼（hashCode）、GC分帶年齡、線程持有的鎖、偏向線程ID 等信息。

這部分數據的長度在32位和64位的虛擬機（暫不考慮開啟壓縮指針的場景）中分別為32個和64個Bit，官方稱它為 “Mark Word”。

在32位的HotSpot虛擬機中對象未被鎖定的狀態下，Mark Word的32個Bit空間中的25Bit用於存儲對象哈希碼（HashCode），4Bit用於存儲對象分代年齡，2Bits用於存儲鎖標誌位，1Bit固定為0。

在其他狀態（輕量級鎖定、重量級鎖定、GC標記、可偏向）下對象的存儲內容如下表所示：

2. 類型指針 指向實例對象的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。

如果對象是一個Java數組，那在對象頭中還必須有一塊用於記錄數組長度的數據。

實例數據

實例數據 部分是對象真正存儲的有效信息，無論是從父類繼承下來的還是該類自身的，都需要記錄下來，而這部分的存儲順序受虛擬機的分配策略和定義的順序的影響。

默認分配策略：

long/double -> int/float -> short/char -> byte/boolean -> reference

如果設置了-XX:FieldsAllocationStyle=0（默認是1），那麽引用類型數據就會優先分配存儲空間：

reference -> long/double -> int/float -> short/char -> byte/boolean

結論：

分配策略總是按照字節大小由大到小的順序排列，相同字節大小的放在一起。

對齊填充

HotSpot虛擬機要求每個對象的起始地址必須是8字節的整數倍，也就是對象的大小必須是8字節的整數倍。而對象頭部分正好是8字節的倍數（32位為1倍，64位為2倍），因此，當對象實例數據部分沒有對齊的時候，就需要通過對齊填充來補全。

(三). 對象的訪問定位

Java程序需要通過 JVM 棧上的引用訪問堆中的具體對象。對象的訪問方式取決於 JVM 虛擬機的實現。目前主流的訪問方式有 句柄 和 直接指針 兩種方式。

指針： 指向對象，代表一個對象在內存中的起始地址。 句柄： 可以理解為指向指針的指針，維護著對象的指針。句柄不直接指向對象，而是指向對象的指針（句柄不發生變化，指向固定內存地址），再由對象的指針指向對象的真實內存地址。

1. 句柄

Java堆中劃分出一塊內存來作為句柄池，引用中存儲對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數據與對象類型數據各自的具體地址信息，具體構造如下圖所示：

優勢：引用中存儲的是穩定的句柄地址，在對象被移動（垃圾收集時移動對象是非常普遍的行為）時只會改變句柄中的實例數據指針，而引用本身不需要修改。

2. 直接指針

如果使用直接指針訪問，引用 中存儲的直接就是對象地址，那麽Java堆對象內部的布局中就必須考慮如何放置訪問類型數據的相關信息。

優勢：速度更快，節省了一次指針定位的時間開銷。由於對象的訪問在Java中非常頻繁，因此這類開銷積少成多後也是非常可觀的執行成本。

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