HotSpot虚拟机对象三部曲

本文主要探讨当下主流的hotspot虚拟机中的对象，分三个部分，分别是：

对象的创建
对象的内存布局
对象的访问定位

对象的创建

创建对象通常（复制、反序列化除外）仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象（这里仅限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）是如何创建的呢？

当jvm遇到一条字节码new指令时，首先去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。
在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定（如何确定与对象的内存布局有关），把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来给对象使用。

堆内存不规整如何划分内存？

假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点指示器，那分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”（Bump The Pointer）。

但如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候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，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。

选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理的能力决定。因此，当使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效；而当使用CMS这种基于清除算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

并发情况下如何划分内存？

对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象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。

解决方案有两种：

对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性
把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存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。

划分内存后初始化对象

内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（不包括对象头）都初始化为零值，如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段初始值为0。

接下来，Java虚拟机还要对对象进行必要的设置，例如：

这个对象是哪个类的实例
如何才能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分代年龄

等信息。这些信息存放在对象头中，根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式（这里讲的不太清楚，关于对象头请看对象的内存布局）。

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视角看来，对象创建才刚刚开始，因为构造函数（即Class文件中的<init>()方法）还没有执行，一般来说new指令之后会接着执行<init>()方法，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，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）、
实例数据（Instance Data）
对齐填充（Padding）

而对象头部分包括两类信息：

用于存储对象自身的运行时数据
类型指针

对齐填充：

仅作为占位符，因为HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全

对象头-运行时数据

对象自身的运行时数据有：

哈希码（HashCode）
GC分代年龄
锁状态标志
线程持有的锁
偏向线程ID
偏向时间戳

等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32个比特和64个比特，官方称它为“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结构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被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小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。

例如在32位的HotSpot虚拟机中，如对象未被同步锁锁定的状态下，Mark Word存储方式为：

25个比特用于存储对象哈希码
4个比特用于存储对象分代年龄
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（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。

对象头Mark Word
存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	膨胀（重量级锁定）
空，不需要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分带年龄	01	可偏向

这个表格的内容似乎有些牵强，为什么呢？当状态为未锁定时，Mark Word存储的内容为对象哈希码与对象分代年龄，当状态转化为轻量级锁定时，存储内容为指向锁记录的指针，那么对象的哈希码和对象的分代年龄去哪了，难道这些信息不要了吗？

由于java中的锁都是对象，而锁相关的信息是放在对象头的，要想得到上面问题的答案，必须要了解一下锁优化方面的知识，因为内容太多，我后面会写文章专题介绍，请耐心等待。

不过在这里我先暂时解开这个迷惑。

首先，我们有一个同步代码块，在线程即将进入同步块的时候，如果此同步对象没有被锁定（即锁标志位为“01”状态），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，这时候线程堆栈与对象头的状态如下图所示。

然后，虚拟机将使用CAS操作尝试把对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针。

如果成功则对象Mark Word的锁标志位将转变为“00”（处于轻量级锁定状态），如下图所示。

如果失败，则意味着至少存在一条线程与当前线程竞争获取该对象的锁，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是，说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那直接进入同步块继续执行就可以了，否则就说明这个锁对象已经被其他线程抢占了。

对象头-类型指针

类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

并不是所有的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经过对象本身，这个会在对象的访问定位中讲到。

此外，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，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，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所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。

HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果HotSpot虚拟机的+XX：CompactFields参数值为true（默认就为true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。

对象的访问定位

由于reference类型在《Java虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的，主流的访问方式主要有