【深刻學習JVM 02】HotSpot虛擬機對象探祕

虛擬機運行時數據區域描述了虛擬機管理的內存劃分狀況，可是目前咱們對於虛擬機仍是有不少困惑，好比：

• 問題1：如何爲對象分配內存？
• 問題2：對象內存模型是怎樣的？
• 問題3：是怎樣訪問內存中的對象的？
• 問題4：分配內存的時候若是遇到併發問題，怎麼保證分配操做的線程安全性？

爲了搞清楚這些問題，咱們先從虛擬機是如何建立對象開始講起。

1、對象建立過程

當虛擬機遇到一條new 指令時，便會進行對象的建立過程。

建立對象的過程以下：

• 1.檢查常量池中有沒有這個類的符號引用，而且檢查這個符號引用表明的類有沒有被虛擬機加載過。

若是沒有被加載過，則執行類加載過程，而後進入下一步； 若是已加載，則進入下一步。

• 2.根據方法區中類的信息，在堆區劃分一塊肯定大小的內存給對象。

（通過類加載後，類的信息被保存在方法區中，一個類的對象所需的內存大小也固定下來。）

• 3.爲對象的成員變量賦初始值

內存分配完成以後，須要對分配的內存空間部分區域的內容都初始化爲零值。 這一步保證了對象成員變量在java代碼中能夠不賦初始值。

• 4.設置對象頭中的信息

  關於對象頭是什麼, 別急，繼續往下看。

• 5.調用<init>方法進行初始化

  別再問<init>是什麼了,先往下看。

2、問題1解惑：

在堆區分配內存有兩種方式。

• 指針碰撞法

若是堆中內存是規整的，即全部用過的內存都放在一邊，空閒的內存放在另外一邊，中間用一個指針作分界點的指示器。

分配內存的過程，實際上就是指針向空閒空間那邊移動一段與對象大小相等的距離。

• 空閒列表法

java堆中的內存若是不是規整的，就須要使用空閒列表的分配方式。

空閒列表概念：虛擬機維護了一個列表，用於記錄哪些內存塊是可用的。

在分配的時候，從列表中找到一塊知足對象大小的內存空間劃分給對象實例，同時會更新列表上的記錄。

• 關於兩種分配方式的選擇

選擇哪一種分配方式取決於java堆是否規整。

而java堆是否規整取決於所採用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理的功能。

所以，選擇哪一種分配方式最終取決於使用了哪一種垃圾收集器。

• 使用了指針碰撞的垃圾收集器有哪些？

serial、ParNew等基於複製算法或標記整理（Mark Compact）算法的收集器，不會致使內存碎片，所以使用的是指針碰撞。

• 採用空閒鏈表垃圾收集器有哪些？

CMS等基於Mark-Sweep（標記清除）算法的收集器，會產生內存碎片，因此使用空閒列表法。

3、問題2解惑

對象在內存中的數據除了實例自己的數據外，還包括對象頭和對齊填充

3.1 實例數據

實例數據存儲的是成員變量的值，包括從父類繼承下來的成員變量。

成員變量在內存中的順序：相同寬度的字段會分配在一塊兒，父類定義的變量會出如今子類以前， 默認狀況下，子類中較窄的變量可能會被插入到父類變量的間隙中。反正就是不必定按定義的順序來分配。

3.2 對象頭是什麼？

對象頭的做用是記錄對象在運行過程當中所需的數據。

好比對象屬於哪一個類的實例、所屬類的信息在方法區中的位置（類型指針）、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡等信息。這些信息就保存在對象頭中（Object Header）

3.3 對齊填充又是什麼？

對齊填充是用於確保對象的內存的總長度爲8字節的整數倍。

爲何要是確保是8字節的整數倍呢？

由於hotspot要求對象起始地址爲8字節的整數倍以便於自動內存管理， 換句話說，對象的總長度要爲8字節的整數倍才能保證如此。 而又由於對象頭正好是8字節（32位或64位）的整數倍，可是實例數據長度是任意的，所以須要對齊補充來確保整個對象總長度爲8字節的整數倍。

4、問題3解惑

java程序須要經過引用來操做堆上的具體數據。 根據引用存放的地址類型的不一樣，對象有不一樣的訪問方式

主要有兩種訪問方式：

• 使用句柄訪問
• 使用直接指針訪問

4.1 使用句柄訪問

堆中會劃分一塊內存用來作句柄池。引用中存儲的就是對象的句柄地址。句柄包含了對象實例數據和對象類型的數據的指針。

經過引用訪問對象的時候，會首先根據引用找到對象的句柄，而後根據句柄中對象的地址來訪問對象。

4.2 使用直接指針訪問

引用中存儲的直接是對象的地址，直接經過引用來訪問對象。

4.3 兩種方式對比

• 使用句柄

  • 優勢：引用中存儲的是穩定的句柄地址，發生垃圾收集時可能會移動對象，這時候只須要改變句柄中實例數據的指針指向新對象，而引用的值不須要改。
  • 缺點：須要兩次尋址。

• 使用直接指針

  • 優勢：速度快，一次尋址便可。
  • 缺點：須要在對象實例的內存中保存一個指向方法區中該類型數據的指針。不過使用句柄方式句柄中也須要保存類型指針。

直接指針的速度快，hotspot採用就是直接指針的方式

5、問題4解惑

對象分配內存不是線程安全的，好比給對象A分配內存，還沒來得及修改指針的指向， 另外一個線程建立對象B也用了原來的指針，這樣就會出問題的。

如何解決？

• 方案1： 對分配內存空間的動做進行同步處理

實際上虛擬機採用CAS配上失敗重試的方式保證更新指針操做的原子性。

• 方案2：把內存分配的動做按照線程劃分在不一樣的空間中進行

即：每一個線程在java堆中預分配一小塊內存， 這一小塊內存稱做「本地線程分配緩衝"（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）

內存分配的過程就能夠總結爲：不一樣線程使用指針碰撞或者空閒列表的方式在各自的TLAB上分配內存。

當線程的TLAB用完須要分配新的TLAB，這時候才須要同步內存分配操做。

虛擬機是否須要使用TLAB，能夠經過-XX:+/-UseTLAB參數來決定。

6、遺留問題：<init>方法是個啥？

從上面對象的建立過程，咱們能夠了解到，在內存分配完成以後，全部成員變量的值都還只是零值。

對於虛擬機來講，對象建立已經完畢，可是，對於java程序來講，對象的初始化纔剛開始。

成員變量的初始化工做交由<init>方法的來完成。

編譯器收集了成員變量上的賦值操做，實例初始化代碼塊的賦值操做，以及構造方法中的賦值操做，構成了<init>方法，並執行，對象就獲得了初始化。

學習過java基礎的人都知道，對象初始化的順序爲: 成員變量上的賦值-->實例初始化塊-->構造方法。

<init>方法就解釋了爲何是這個過程。

7、講點對象頭

對象頭的內存模型分三部分：

• Mark Word
• 類型指針
• 記錄數組的長度

7.1 Mark Word

存放hashCode、GC分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程id、偏向時間戳等。 長度爲32位或者64位（32位虛擬機和64位虛擬機）。

mark word是一個非固定的數據結構，在不一樣狀況下結構會有所變化。

好比：在32位的虛擬機中，若是對象處於未被鎖定的狀態， mark Word的32位空間將有25位用於存儲hashcode, 4位用於存儲對象的分代年齡，2位用於存儲對象上鎖 標誌，1位固定爲0

這些東西我就不一個個介紹他們是用來幹嗎的，講多了反而複雜，大概瞭解就行，有興趣的能夠百度。

7.2 類型指針

一個指向類元數據的指針，經過這個指針，能夠肯定對象是哪一個類的實例。記住，這個指針是在對象頭中，但不是在Mark Word中的。

7.3 數組長度

若是對象是一個數組，在對象頭中還必須有一塊用於記錄數組長度的數據。

這一部分僅在對象是數組的時候存在。

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