JVM 系列 (三) - JVM 对象探秘

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前言

对于 JVM 运行时区域有了一定了解以后，本文将更进一步介绍虚拟机内存中的数据的细节信息。以 JVM 虚拟机( Hotspot)的内存区域 Java 堆为例，探讨 Java 堆是如何创建对象、如何布局对象以及如何访问对象的。

正文

(一) 对象的创建

说到对象的创建，首先让我们看看 Java 中提供的几种对象创建方式：

下面举例说明五种方式的具体操作方式：

Employee.java

1. public class Employee implements Cloneable, Serializable {

2. private static final long serialVersionUID = 1L;

3. private String name;

5. public Employee() {}

7. public Employee(String name) {

8. this.name = name;

9. }

11. public String getName() {

12. return name;

13. }

15. public void setName(String name) {

16. this.name = name;

17. }

19. @Override

20. public int hashCode() {

21. final int prime = 31;

22. int result = 1;

23. result = prime * result + ((name == null) ? 0 : name.hashCode());

24. return result;

25. }

27. @Override

28. public boolean equals(Object obj) {

29. if (this == obj)

30. return true;

31. if (obj == null)

32. return false;

33. if (getClass() != obj.getClass())

34. return false;

35. Employee other = (Employee) obj;

36. if (name == null) {

37. if (other.name != null)

38. return false;

39. } else if (!name.equals(other.name))

40. return false;

41. return true;

42. }

44. @Override

45. public String toString() {

46. return "Employee [name=" + name + "]";

47. }

49. @Override

50. public Object clone() {

51. Object obj = null;

52. try {

53. obj = super.clone();

54. } catch (CloneNotSupportedException e) {

55. e.printStackTrace();

56. }

57. return obj;

58. }

59. }

1. new 关键字

这是最常见也是最简单的创建对象的方式了。通过这种方式，我们可以调用任意的构造函数(无参的和带参数的)。

1. Employee emp1 = new Employee();

2. Employee emp2 = new Employee(name);

2. Class 类的 newInstance 方法

我们也可以使用 Class 类的 newInstance 方法创建对象。这个 newInstance 方法调用无参的构造函数创建对象。

• 方式一

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

• 方式二

1. Employee emp2 = Employee.class.newInstance();

3. Constructor 类的 newInstance 方法

和 Class 类的 newInstance 方法很像， java.lang.reflect.Constructor 类里也有一个 newInstance 方法可以创建对象。我们可以通过这个 newInstance 方法调用有参数的和私有的构造函数。其中， Constructor 可以从对应的 Class 类中获得。

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

2. Employee emp3 = constructor.newInstance();

这两种 newInstance 方法就是大家所说的反射。事实上 Class 的 newInstance 方法内部调用 Constructor 的 newInstance 方法。

4. Clone 方法

无论何时我们调用一个对象的 clone 方法， JVM 都会创建一个新的对象，将前面对象的内容全部拷贝进去。用 clone 方法创建对象并不会调用任何构造函数。

为了使用 clone 方法，我们需要先实现 Cloneable 接口并实现其定义的 clone 方法。

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

5. 反序列化

当我们序列化和反序列化一个对象， JVM 会给我们创建一个单独的对象。在反序列化时， JVM 创建对象并不会调用任何构造函数。

为了反序列化一个对象，我们需要让我们的类实现 Serializable 接口。

1. ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream();

2. ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(out);

3. oos.writeObject(emp4);

5. ByteArrayInputStream in = new ByteArrayInputStream(oos.toByteArray());

6. ObjectInputStream ois =new ObjectInputStream(in);

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

本文以 new 关键字为例，讲述 JVM 堆中对象实例的创建过程如下：

1. 当虚拟机遇到一条 new 指令时，首先会检查这个指令的参数能否在常量池中定位一个符号引用。然后检查这个符号引用的类字节码对象是否加载、解析和初始化。如果没有，将执行对应的类加载过程。

2. 类加载 完成以后，虚拟机将会为新生对象分配内存区域，对象所需内存空间大小在类加载完成后就已确定。

3. 内存分配 完成以后，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值。

4. 虚拟机对对象进行一系列的设置，如所属类的元信息、对象的哈希码、对象 GC 分带年龄、线程持有的锁 、偏向线程 ID 等信息。这些信息存储在对象头 ( ObjectHeader)。

上述工作完成以后，从虚拟机的角度来说，一个新的对象已经产生了。然而，从 Java 程序的角度来说，对象创建才刚开始。

(二) 对象的布局

HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（ Header）、实例数据（ InstanceData）和对齐填充（ Padding）。

对象头

在 HotSpot 虚拟机中，对象头有两部分信息组成：运行时数据 和 类型指针。

1. 运行时数据 用于存储对象自身运行时的数据，如哈希码（hashCode）、GC 分带年龄、线程持有的锁、偏向线程 ID 等信息。

这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机（暂不考虑开启压缩指针的场景）中分别为 32 个和 64 个 Bit，官方称它为 “MarkWord”。

在 32 位的 HotSpot 虚拟机中对象未被锁定的状态下，Mark Word 的 32 个 Bit 空间中的 25Bit 用于存储对象哈希码（HashCode），4Bit 用于存储对象分代年龄，2Bits 用于存储锁标志位，1Bit 固定为 0。

在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC 标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示：

2. 类型指针 指向实例对象的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

如果对象是一个 Java 数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

实例数据

实例数据 部分是对象真正存储的有效信息，无论是从父类继承下来的还是该类自身的，都需要记录下来，而这部分的存储顺序受虚拟机的分配策略和定义的顺序的影响。

默认分配策略：

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

如果设置了 -XX:FieldsAllocationStyle=0（默认是 1），那么引用类型数据就会优先分配存储空间：

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

结论：

分配策略总是按照字节大小由大到小的顺序排列，相同字节大小的放在一起。

对齐填充

HotSpot 虚拟机要求每个对象的起始地址必须是 8 字节的整数倍，也就是对象的大小必须是 8 字节的整数倍。而对象头部分正好是 8 字节的倍数（ 32 位为 1 倍， 64 位为 2 倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐的时候，就需要通过对齐填充来补全。

(三) 对象的访问定位

Java 程序需要通过 JVM 栈上的引用访问堆中的具体对象。对象的访问方式取决于 JVM 虚拟机的实现。目前主流的访问方式有 句柄 和 直接指针 两种方式。

指针： 指向对象，代表一个对象在内存中的起始地址。句柄： 可以理解为指向指针的指针，维护着对象的指针。句柄不直接指向对象，而是指向对象的指针（句柄不发生变化，指向固定内存地址），再由对象的指针指向对象的真实内存地址。

1. 句柄

Java 堆中划分出一块内存来作为句柄池，引用中存储对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与对象类型数据各自的具体地址信息，具体构造如下图所示：

优势：引用中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集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，而引用本身不需要修改。

2. 直接指针

如果使用直接指针访问，引用 中存储的直接就是对象地址，那么 Java 堆对象内部的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息。

优势：速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。由于对象的访问在 Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是非常可观的执行成本。

参考

周志明，深入理解 Java 虚拟机：JVM 高级特性与最佳实践，机械工业出版社