HotSpot对象探秘

HotSpot对象探秘

Java对象创建过程

前提：仅限普通对象（不包括数组和Class对象）

过程(JVM遇到new关键字后)

类加载检查

检查指令参数能否在常量池定位到一个类的符号引用

检查这个符号用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。

如果没有，先执行相应的类加载过程

分配内存

对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定

分配方式

指针碰撞（Bump The Pointer）

假定Java堆中内存是绝对规整的，用过的内存放在一边，空闲的内存在另外一边

空闲列表（Free List）

如果堆中内存不是规整的，已使用内存和空闲内存交错在一起

虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的

在分配内存时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

Java堆是否规整取决于所采用的的垃圾回收期是否带有空间压缩整理（Compact）决定。

用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时使用指针碰撞，简单高效

使用CMS这种基于清除（Sweep）算法的收集器时理论上讲就只能采取复杂的空闲列表来分配内存

CMS为了提升效率，设计了特殊的分配缓冲区（Linear Allocation Bufffer），通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区后，仍然可以使用指针碰撞方式来进行内存分配

指针指向并发问题

对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，及时仅仅修改一个指针指向的位置，在并发情况下也不是线程安全的，可能出现在正在给对象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的情况

解决方法

1.对分配内存空间的动作进行同步处理，采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性

2.内存分配的动作按照线程划分在不同的空间进行，即每个线程在Java对重预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），那个线程要分配内存，就在那个线程的本地缓冲区分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓冲区时才需要同步锁定

虚拟机是否使用TLAB可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定

内存分配完成后，虚拟机必须将分配到的内存空间（不包括对象头），都初始化为0值

如果使用了TLAB，该工作可以提前至TLAB分配时进行

该动作保证了对象的示例字段可以不赋初始值就直接使用，使程序访问到这些字段的数据类型所对应的零值

对象头信息设置

是哪个类的实例，如何找到类的元数据信息，对象的哈希码（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode方法时才计算），对象的GC分带年龄等

虚拟机的新对象创建完成，执行Class文件中的<init>方法（invokespecial），按照程序员的意愿对对象进行从初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构建出来

对象内存布局

HotSpot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）

示例数据（Instance Data）

对齐填充（Padding）

对象头信息包括两类信息

第一类用于存储对象自身的运行时数据

包含信息

哈希码（HashCode）

GC分代年龄

锁状态标识

线程持有的锁（是不是持有锁的线程）

偏向线程ID

偏向时间戳等

这部分数据在长度在32位和64位的虚拟机（未开启指针压缩）中分别为32个比特和64个比特。官方称为Mark Word

对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32/64位BitMap所能记录的最大限度，但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成了一个有着动态定义的数据结构，一遍在绩效的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间

如：32位的HotSpot虚拟机中，如对象违背同步锁锁定的状态下，Mark Word的32个比特中的25个比特用于存储对象哈希码，4个比特英语存储对象分带年龄，2个比特用于存储锁标志位，1个比特固定为0，在其他状态下（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）对象的存储内容如下

Mark Word标志位、代表状态和存储内容

01 未锁定         对象哈希码(、对象分代年龄

00 轻量级锁定  指向锁记录的指针（PromotedObject）

10 膨胀（重量级锁定） 指向重量级锁的指针

11 GC标记       空，不需要记录信息

01 可偏向         偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄

Mark Word存储内容内容

32位

hash:25 ------------>| age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)

JavaThread*:23 epoch:2 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)

size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)

PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)

64位

unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)

JavaThread*:54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)

PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)

size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)

unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)

JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)

narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)

unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)

另一部分是类型指针，即指向对象的类型元数据的指针

虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的对象

并不是所有虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说查找对象的元数据信息并不一定要通过对象本身。

如果对象是一个Java对象数组对象投中还必须有一个用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但数组长度是不确定的，无法从元数据信息推断数组大小

实例数据是对象真正存储的有效信息，即我们在代码里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。

默认分配顺序为longs/doubles，ints，shorts/chars，bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs），相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在此前提下，父类中定义的变量会趁现在子类之前。

如果HotSpot虚拟机的+XX:CompactFields参数为true（默认为true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空袭之中，以节省一点点空间

第三部分是对齐填充，不是必然存在的，也没有特殊含义，仅仅是占位符的作用。

HotSpot虚拟机的内存管理系统弄那个要求对象其实地址必须是8字节的整数倍，换句话说任何对象的大小必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成8字节的倍数，因此，如果对象示例数据部分没有对齐的话，就需要对齐填充来补全。

对象的访问定位

主流的方式主要有句柄和直接指针两种

句柄访问，Java堆中可能会划分出一块对象来作为句柄池，reference中存储的地址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

直接指针访问，Java对象中的内存布局必须考虑如何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，如果只是访问对象本身，就不需要多一次间接访问的开销。

两种方式各有优势

句柄访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾回收时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，reference本身不需要修改。

直接指针访问的最大好处是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项可观的执行成本。HotSpot主要使用指针进行第二种访问（也有例外，如果使用了Shenandoah收集器也会有一次额外的转发），但从整个软件开发的范围来看，在各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。