從小工到專家的 Java 進(jìn)階之旅：HotSpot虛擬機(jī)對象探秘

作者：看山灬 2025-01-24 00:00:00

Java 堆中將可能會(huì)劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference 中存儲(chǔ)的是對象的句柄地址，句柄中包含了對象實(shí)例數(shù)據(jù)和類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息。好處是解耦，reference 中存儲(chǔ)的是穩(wěn)定句柄地址，在對象被移動(dòng)（垃圾回收等）時(shí)只會(huì)改變句柄中實(shí)例數(shù)據(jù)指針，而 reference 本身不需要修改。

今天我們一起看一下HotSpot虛擬機(jī)中的對象。

對象的創(chuàng)建（以 new 關(guān)鍵字為例）

創(chuàng)建過程

Java 虛擬機(jī)遇到字節(jié)碼new指令，首先檢查new指令參數(shù)是否能夠在常量池中定位到一個(gè)類的符號引用

如果是，繼續(xù)下一步

如果否，執(zhí)行類加載過程

如果是，檢查這個(gè)符號引用代表的類是否已經(jīng)被加載、解析和初始化

如果否，執(zhí)行類加載

虛擬機(jī)為新生對象分配內(nèi)存（對象所需內(nèi)存大小在類加載完成后即可確定）
虛擬機(jī)將分配的內(nèi)存空間（不包括對象頭）初始化為零值。
虛擬機(jī)對對象進(jìn)行必要設(shè)置，比如設(shè)置對象頭信息：
對象是哪個(gè)類的實(shí)例
如何找到類的元數(shù)據(jù)信息
對象的哈希碼
對象的 GC 分代年齡
new指令之后會(huì)接著執(zhí)行<init>()方法，按照程序員意愿初始化對象

內(nèi)存分配

內(nèi)存分配算法：擬機(jī)為新生對象分配內(nèi)存有指針碰撞和空閑列表兩種方式，具體選擇哪種，取決于垃圾收集器是否帶有空間壓縮整理的能力。Serial、ParNew 帶壓縮整理，采用指針碰撞；CMS 基于清除算法，采用空閑列表。

指針碰撞 (Bump The Pointer)：堆內(nèi)存絕對規(guī)整，已使用的在一邊，未使用的在另外一遍，中間通過指針作為分界點(diǎn)指示器，分配內(nèi)存即移動(dòng)指針。

空閑列表 (Free List)：堆內(nèi)存不規(guī)整，已使用與未使用相互交錯(cuò)，需要維護(hù)一個(gè)列表，記錄哪些內(nèi)存塊可用，分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對象實(shí)例，并更新列表記錄。

線程安全問題：創(chuàng)建對象比較頻繁，需要保證線程安全，避免多個(gè)對象分配了相同的內(nèi)存區(qū)域，一般是兩種方式：

同步處理：虛擬機(jī)采用CAS+失敗重試方式保證更新操作的原子性

本地線程分配緩沖：把內(nèi)存分配的動(dòng)作按照線程劃分在不同空間之中進(jìn)行，即每個(gè)線程在 Java 堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存，稱為本地線程分配緩沖 (Thread Local Allocation Buffer, TLAB)，哪個(gè)線程要分配內(nèi)存，就在哪個(gè)線程的本地緩沖區(qū)中分配，只有本地緩沖緩沖區(qū)用完了，分配新的緩沖區(qū)時(shí)才需要同步鎖定。是否使用 TLAB，可以通過參數(shù)-XX:+/-UseTLAB參數(shù)設(shè)定。

對象的內(nèi)存布局

對象頭 (Header)

用于存儲(chǔ)對象自身運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)：哈希碼 (Hash Code)、GC 分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時(shí)間戳等，長度在 32 位和 64 位虛擬機(jī)分別是 32 比特和 64 比特，官方稱為 Mark Word。

類型指針，即對象指向它的類型元數(shù)據(jù)指針，Java 虛擬機(jī)通過這個(gè)指針來確定該對象是哪個(gè)類的實(shí)例。

如果對象是數(shù)組，還有一個(gè)數(shù)據(jù)記錄數(shù)組長度

實(shí)例數(shù)據(jù) (Instance Data)：即程序代碼里面定義的各種類型的字段內(nèi)容。存儲(chǔ)順序受虛擬機(jī)分配策略 (-XX:FieldsAllocationStyle 參數(shù)）和字段在 Java 源碼中定義順序影響。HotSpot 虛擬機(jī)默認(rèn)分配順序?yàn)?longs/doubles、ints、shorts/charts、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers, OOPS)，即相同寬度字段被分配到一起存放，在滿足這個(gè)前提條件情況下，在父類中定義的變了會(huì)出現(xiàn)在子類之前。如果 HotSpot 虛擬機(jī)的+XX:CompactFields 參數(shù)設(shè)置為 true，子類中較窄的變量也允許插入父類變量的空隙中，以節(jié)省空間。
對齊填充 (Padding)：占位符作用。HotSpot 虛擬機(jī)的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對象起始地址必須是 8 字節(jié)的整數(shù)倍。

對象的訪問定位

Java 程序會(huì)通過棧上的 reference 數(shù)據(jù)來操作堆上的具體對象，主流的訪問方式主要有使用句柄和直接指針兩種：

使用句柄：Java 堆中將可能會(huì)劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference 中存儲(chǔ)的是對象的句柄地址，句柄中包含了對象實(shí)例數(shù)據(jù)和類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息。好處是解耦，reference 中存儲(chǔ)的是穩(wěn)定句柄地址，在對象被移動(dòng)（垃圾回收等）時(shí)只會(huì)改變句柄中實(shí)例數(shù)據(jù)指針，而 reference 本身不需要修改。
直接指針：Java 堆中的對象布局必須考慮如何放置訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，reference 中存儲(chǔ)的是對象地址。好處是速度快，節(jié)省一次指針定位時(shí)間開銷，HotSpot 主要使用直接指針。

使用句柄