JVM：Java物件的建立、記憶體佈局 & 訪問定位 全過程解析

摘要： 前言 Java Java 在接下來的日子，我會推出一系列講解 JVM 的文章，具體如下；感興趣可持續關注 Carson_Ho的安卓開發筆記 示意圖 目錄 示意圖 1...

前言

Java
Java

在接下來的日子，我會推出一系列講解 JVM 的文章，具體如下；感興趣可持續關注 ofollow,noindex">Carson_Ho的安卓開發筆記

目錄

1. 物件建立

• 在開發使用時，建立 Java 物件僅僅只是是通過關鍵字 new ：

A a = new A()；

• 可是 Java 物件在虛擬機器中建立則是相對複雜。今天，我將詳解 Java 物件在虛擬機器中的建立過程

限於普通物件，不包括陣列和Class物件等

1.1 建立過程

當遇到關鍵字 new 指令時，Java物件建立過程便開始，整個過程如下：

下面我將對每個步驟進行講解。

1.2 過程步驟

步驟1：類載入檢查

new

如果沒有，需要先執行相應的類載入過程

關於類載入請看文章：

步驟2：為物件分配記憶體

• 虛擬機器將為物件分配記憶體，即把一塊確定大小的記憶體從 Java 堆中劃分出來

物件所需記憶體的大小在類載入完成後便可完全確定

• 關於分配記憶體，此處主要講解記憶體分配方式
• 記憶體分配 根據 Java堆記憶體是否絕對規整 分為兩種方式：指標碰撞 & 空閒列表

Java
Java

方式1：指標碰撞

• 假設Java堆記憶體絕對規整，記憶體分配將採用指標碰撞
• 分配形式：已使用記憶體在一邊，未使用記憶體在另一邊，中間放一個作為分界點的指示器

• 那麼，分配物件記憶體 = 把指標向 未使用記憶體 移動一段 與物件大小相等的距離

方式2：空閒列表

• 假設Java堆記憶體不規整，記憶體分配將採用 空閒列表
• 分配形式：虛擬機器維護著一個 記錄可用記憶體塊 的列表，在分配時從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給物件例項，並更新列表上的記錄

額外知識

• 分配方式的選擇 取決於 Java 堆記憶體是否規整；
• 而 Java 堆是否規整 由所採用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。因此：
  1. 使用帶 Compact 過程的垃圾收集器時，採用指標碰撞；

如 Serial、ParNew 垃圾收集器

2. 使用基於 Mark_sweep 演算法的垃圾收集器時，採用空閒列表。

如 CMS 垃圾收集器

特別注意

• 物件建立在虛擬機器中是非常頻繁的操作，即使僅僅修改一個指標所指向的位置，在併發情況下也會引起執行緒不安全

如，正在給物件A分配記憶體，指標還沒有來得及修改，物件B又同時使用了原來的指標來分配記憶體

所以，給物件分配記憶體會存線上程不安全的問題。

解決 執行緒不安全 有兩種方案：

1. 同步處理分配記憶體空間的行為

虛擬機器採用 CAS + 失敗重試的方式 保證更新操作的原子性

2. 把記憶體分配行為 按照執行緒 劃分在不同的記憶體空間進行

1. 即每個執行緒在 Java 堆中預先分配一小塊記憶體（本地執行緒分配緩衝（ Thread Local Allocation Buffer ， TLAB ）），哪個執行緒要分配記憶體，就在哪個執行緒的 TLAB上 分配，只有TLAB用完並分配新的TLAB時才需要同步鎖。
2. 虛擬機器是否使用 TLAB ，可以通過 -XX:+/-UseTLAB 引數來設定。

步驟3： 將記憶體空間初始化為零值

記憶體分配完成後，虛擬機器需要將分配到的記憶體空間初始化為零（不包括物件頭）

1. 保證了物件的例項欄位在使用時可不賦初始值就直接使用（對應值 = 0）
2. 如使用本地執行緒分配緩衝（TLAB），這一工作過程也可以提前至TLAB分配時進行。

步驟4： 對物件進行必要的設定

如，設定 這個物件是哪個類的例項、如何才能找到類的元資料資訊、物件的雜湊碼、物件的GC分代年齡等資訊。

這些資訊存放在物件的物件頭中。

• 至此，從 Java 虛擬機器的角度來看，一個新的 Java 物件建立完畢
• 但從 Java 程式開發來說，物件建立才剛開始，需要進行一些初始化操作。

1.3 總結

下面用一張圖總結 Java 物件建立的過程

2. 物件的記憶體佈局

• 問題：在 Java 物件建立後，到底是如何被儲存在Java記憶體裡的呢？
• 答：在 Java 虛擬機器（ HotSpot ）中，物件在 Java 記憶體中的 儲存佈局 可分為三塊：
  1. 物件頭 儲存區域
  2. 例項資料 儲存區域
  3. 對齊填充 儲存區域

下面我會詳細說明每一塊區域。

2.1 物件頭 區域

此處儲存的資訊包括兩部分：

• 物件自身的執行時資料（ Mark Word ）

HashCode

• 物件型別指標

1. 即物件指向它的類元資料的指標
2. 虛擬機器通過這個指標來確定這個物件是哪個類的例項

特別注意

如果物件 是 陣列，那麼在物件頭中還必須有一塊用於記錄陣列長度的資料

因為虛擬機器可以通過普通Java物件的元資料資訊確定物件的大小，但是從陣列的元資料中卻無法確定陣列的大小。

2.2 例項資料 區域

• 儲存的資訊：物件真正有效的資訊

即程式碼中定義的欄位內容

• 注：這部分資料的儲存順序會受到虛擬機器分配引數（FieldAllocationStyle）和欄位在Java原始碼中定義順序的影響。

// HotSpot虛擬機器預設的分配策略如下：
longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oop(Ordinary Object Pointers)
// 從分配策略中可以看出，相同寬度的欄位總是被分配到一起
// 在滿足這個前提的條件下，父類中定義的變數會出現在子類之前

CompactFields = true；
// 如果 CompactFields 引數值為true，那麼子類之中較窄的變數也可能會插入到父類變數的空隙之中。

2.3 對齊填充 區域

• 儲存的資訊：佔位符

佔位作用

• 因為物件的大小必須是8位元組的整數倍
• 而因HotSpot VM的要求物件起始地址必須是8位元組的整數倍，且物件頭部分正好是8位元組的倍數。
• 因此，當物件例項資料部分沒有對齊時（即物件的大小不是8位元組的整數倍），就需要通過對齊填充來補全。

2.4 總結

3. 物件的訪問定位

• 問：建立物件後，該如何訪問物件呢？

實際上需訪問的是 物件型別資料 & 物件例項資料

• 答： Java 程式 通過 棧上的引用型別資料（ reference ） 來訪問 Java 堆上的物件

由於引用型別資料（ reference ）在 Java 虛擬機器中只規定了一個指向物件的引用，但沒定義該引用應該通過何種方式去定位、訪問堆中的物件的具體位置

所以物件訪問方式取決於虛擬機器實現。目前主流的物件訪問方式有兩種：

• 控制代碼 訪問
• 直接指標 訪問

具體請看如下介紹：

4. 總結

• 本文我對 Java 物件建立、物件記憶體佈局、物件訪問定位的三個過程 進行了詳細介紹
• 在接下來的日子，我會推出一系列講解 JVM 的文章，具體如下；感興趣可持續關注 Carson_Ho的安卓開發筆記

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