HotSpot对象探秘
2021-06-16 10:43:55 15 举报对象初始化过程
作者其他创作
大纲/内容
Java对象创建过程
前提：仅限普通对象（不包括数组和Class对象）
过程(JVM遇到new关键字后)
类加载检查
检查指令参数能否在常量池定位到一个类的符号引用
检查这个符号用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。
如果没有，先执行相应的类加载过程
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
分配方式
指针碰撞（Bump The Pointer）
假定Java堆中内存是绝对规整的，用过的内存放在一边，空闲的内存在另外一边
空闲列表（Free List）
如果堆中内存不是规整的，已使用内存和空闲内存交错在一起
虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的
在分配内存时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
Java堆是否规整取决于所采用的的垃圾回收
期是否带有空间压缩整理（Compact）决定。
期是否带有空间压缩整理（Compact）决定。
用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时使用指针碰撞，简单高效
使用CMS这种基于清除（Sweep）算法的收集
器时理论上讲就只能采取复杂的空闲列表来分配内存
器时理论上讲就只能采取复杂的空闲列表来分配内存
CMS为了提升效率，设计了特殊的分配缓冲区（Linear Allocation Bufffer）
，通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区后，仍然可以使用指
针碰撞方式来进行内存分配
，通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区后，仍然可以使用指
针碰撞方式来进行内存分配
指针指向并发问题
对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，及时仅仅修改一个指针指向的位置，在并发情况下也不是线程安全的，可能出现在正在给对象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
解决方法
1.对分配内存空间的动作进行同步处理，采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性
2.内存分配的动作按照线程划分在不同的空间进行，即每个线程在Java对重预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），那个线程要分配内存，就在那个线程的本地缓冲区分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓冲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
内存分配完成后，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0值
如果使用了TLAB，该工作可以提前至TLAB分配时进行
该动作保证了对象的示例字段可以不赋初始值就直接使用，使程序访问到这些字段的数据类型所对应的零值
对象头信息设置
是哪个类的实例，如何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分带年龄等
虚拟机的新对象创建完成，执行Class文件中的<init>方法（invokespecial），按照程序员的意愿对对象进行从初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构建出来
对象内存布局
HotSpot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）
示例数据（Instance Data）
对齐填充（Padding）
对象头信息包括两类信息
第一类用于存储对象自身的运行时数据
包含信息
哈希码（HashCode）
GC分代年龄
锁状态标识
线程持有的锁（是不是持有锁的线程）
偏向线程ID
偏向时间戳等
这部分数据在长度在32位和64位的虚拟机（未开启指针压缩）中分别为32个比特和64个比特。官方称为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被设计成了一个有着动态定义的数据结构，一遍在绩效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
如：32位的HotSpot虚拟机中，如对象违背同步锁锁定的状态下，Mark Word的32个比特中的25个比特用于存储对象哈希码，4个比特英语存储对象分带年龄，2个比特用于存储锁标志位，1个比特固定为0，在其他状态下（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）对象的存储内容如下
Mark Word标志位、代表状态和存储内容
01 未锁定 对象哈希码(、对象分代年龄
00 轻量级锁定 指向锁记录的指针（PromotedObject）
10 膨胀（重量级锁定） 指向重量级锁的指针
11 GC标记 空，不需要记录信息
01 可偏向 偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄
Mark Word存储内容内容
32位
hash:25 ------------>| age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
JavaThread*:23 epoch:2 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
64位
unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
JavaThread*:54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)
unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)
另一部分是类型指针，即指向对象的类型元数据的指针
虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的对象
并不是所有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通过对象本身。
如果对象是一个Java对象数组对象投中还必须有一个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，但数组长度是不确定的，无法从元数据信息推断数组大小
实例数据是对象真正存储的有效信息，即我们在代码里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。
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。
默认分配顺序为longs/doubles，ints，shorts/chars，bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs），相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在此前提下，父类中定义的变量会趁现在子类之前。
如果HotSpot虚拟机的+XX:CompactFields参数为true（默认为true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空袭之中，以节省一点点空间
第三部分是对齐填充，不是必然存在的，也没有特殊含义，仅仅是占位符的作用。
HotSpot虚拟机的内存管理系统弄那个要求对象其实地址必须是8字节的整数倍，换句话说任何对象的大小必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成8字节的倍数，因此，如果对象示例数据部分没有对齐的话，就需要对齐填充来补全。
对象的访问定位
主流的方式主要有句柄和直接指针两种
句柄访问，Java堆中可能会划分出一块对象来作为句柄池，reference中存储的地址就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息
直接指针访问，Java对象中的内存布局必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身，就不需要多一次间接访问的开销。
两种方式各有优势
句柄访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾回收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，reference本身不需要修改。
直接指针访问的最大好处是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项可观的执行成本。HotSpot主要使用指针进行第二种访问（也有例外，如果使用了Shenandoah收集器也会有一次额外的转发），但从整个软件开发的范围来看，在各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。
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