JVM系列(三) - JVM對象探祕

前言

對於 JVM 運行時區域有了必定了解之後，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堆爲例，探討Java堆是如何建立對象、如何佈局對象以及如何訪問對象的。

正文

(一). 對象的建立

說到對象的建立，首先讓咱們看看 Java 中提供的幾種對象建立方式：

Header	解釋
使用new關鍵字	調用了構造函數
使用Class的newInstance方法	調用了構造函數
使用Constructor類的newInstance方法	調用了構造函數
使用clone方法	沒有調用構造函數
使用反序列化	沒有調用構造函數

下面舉例說明五種方式的具體操做方式：

Employee.java

public class Employee implements Cloneable, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String name;

    public Employee() {}

    public Employee(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        final int prime = 31;
        int result = 1;
        result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());
        return result;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj)
            return true;
        if (obj == null)
            return false;
        if (getClass() != obj.getClass())
            return false;
        Employee other = (Employee) obj;
        if (name == null) {
            if (other.name != null)
                return false;
        } else if (!name.equals(other.name))
            return false;
        return true;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Employee [name=" + name + "]";
    }

    @Override
    public Object clone() {
        Object obj = null;
        try {
            obj = super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return obj;
    }
}
複製代碼

1. new關鍵字

這是最多見也是最簡單的建立對象的方式了。經過這種方式，咱們能夠調用任意的構造函數(無參的和帶參數的)。

Employee emp1 = new Employee();
複製代碼

Employee emp1 = new Employee(name);
複製代碼

2. Class類的newInstance方法

咱們也可使用Class類的newInstance方法建立對象。這個newInstance方法調用無參的構造函數建立對象。

• 方式一：

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

• 方式二：

Employee emp2 = Employee.class.newInstance();
複製代碼

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方法能夠建立對象。咱們能夠經過這個newInstance方法調用有參數的和私有的構造函數。其中，Constructor能夠從對應的Class類中得到。

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

這兩種newInstance方法就是你們所說的反射。事實上Class的newInstance方法內部調用Constructor的newInstance方法。

4. Clone方法

不管什麼時候咱們調用一個對象的clone方法，JVM都會建立一個新的對象，將前面對象的內容所有拷貝進去。用clone方法建立對象並不會調用任何構造函數。

爲了使用clone方法，咱們須要先實現Cloneable接口並實現其定義的clone方法。

Employee emp4 = (Employee) emp3.clone();
複製代碼

5. 反序列化

當咱們序列化和反序列化一個對象，JVM會給咱們建立一個單獨的對象。在反序列化時，JVM建立對象並不會調用任何構造函數。

爲了反序列化一個對象，咱們須要讓咱們的類實現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();
複製代碼

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本文以new關鍵字爲例，講述JVM堆中對象實例的建立過程以下：

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可否在常量池中定位一個符號引用。而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。若是沒有，將執行對應的類加載過程。

2. 類加載 完成之後，虛擬機將會爲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肯定。

3. 內存分配 完成之後，虛擬機將分配到的內存空間都初始化爲零值。

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)。

上述工做完成之後，從虛擬機的角度來講，一個新的對象已經產生了。然而，從Java程序的角度來講，對象建立纔剛開始。

## (二). 對象的佈局

HotSpot虛擬機中，對象在內存中存儲的佈局能夠分爲三塊區域：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（暫不考慮開啓壓縮指針的場景）中分別爲32個和64個Bit，官方稱它爲 「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固定爲0。

在其餘狀態（輕量級鎖定、重量級鎖定、GC標記、可偏向）下對象的存儲內容以下表所示：

存儲內容	標誌位	狀態
對象哈希碼、對象分代年齡	01	未鎖定
指向鎖記錄的指針	00	輕量級鎖定
指向重量級鎖的指針	10	膨脹（重量級鎖定）
空，不須要記錄信息	11	GC標記
偏向線程ID、偏向時間戳、對象分代年齡	01	可偏向

2. 類型指針 指向實例對象的類元數據的指針，虛擬機經過這個指針來肯定這個對象是哪一個類的實例。

若是對象是一個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，不管是從父類繼承下來的仍是該類自身的，都須要記錄下來，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

若是設置了-XX:FieldsAllocationStyle=0（默認是1），那麼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：

分配策略老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塊兒。

對齊填充

HotSpot虛擬機要求每一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位爲1倍，64位爲2倍），所以，當對象實例數據部分沒有對齊的時候，就須要經過對齊填充來補全。

(三). 對象的訪問定位

Java程序須要經過 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，表明一個對象在內存中的起始地址。 句柄： 能夠理解爲指向指針的指針，維護着對象的指針。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做爲句柄池，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，具體構造以下圖所示：

優點：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很是廣泛的行爲）時只會改變句柄中的實例數據指針，而引用自己不須要修改。

2. 直接指針

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

優點：速度更快，節省了一次指針定位的時間開銷。因爲對象的訪問在Java中很是頻繁，所以這類開銷聚沙成塔後也是很是可觀的執行成本。

參考

周志明，深刻理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐，機械工業出版社

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