JVM 实战 - 对象的实例化内存布局与访问定位

1. 对象的实例化

1.1 对象的实例化方式

1、 new：最常见的方式,直接new或者单例模式的getInstance方法等；
2、 Class的newInstance方法：反射方式,在JDK9里面被标记为过时的方法，因为只能调用空参构造器，并且权限必须为public；
3、 Constructor的newInstance(Xxxx)：反射的方式，可以调用空参的，或者带参的构造器；
4、使用clone()：不调用任何的构造器，要求当前的类需要实现Cloneable接口中的clone方法；
5、使用序列化：序列化一般用于Socket的网络传输；
6、第三方库Objenesis；

1.2 创建对象的步骤

从字节码的角度 ,一个最基本的new 对象到底分了几步呢?

代码:一个最基本的new对象代码

public class ObjectTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
    }
}

指令:

0 new2 <java/lang/Object>  // 加载Object 类,并为对象开辟空间
3 dup  
4 invokespecial1 <java/lang/Object.<init>> // 调用 <init> 构造器
7 astore_1  //放入到局部变量表
8 return

以上是字节码指令的角度,那么在内存中, 到底有哪几步呢

1、 判断对象对应的类是否加载、链接、初始化；

虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的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经被加载，解析和初始化。（即判断类元信息是否存在）。
如果该类没有加载，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader + 包名 + 类名为key进行查找对应的.class文件，如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，如果找到，则进行类加载，并生成对应的Class对象。

2、 为对象分配内存；

首先计算对象占用空间的大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小,
在分配内存时,根据堆空间中是哪种垃圾回收器回收的空间,会有内存规整(Serial ，ParNew这种基于压缩算法的 )和不规整两种情况,也有两种分配内存的方式
- 如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Point）来为对象分配内存。即堆中所有用过的内存在一边，空闲的内存放另外一边(规整的)，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针往空闲内存那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。
- 如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。这种分配方式成为了 “空闲列表（Free List）”

总结: 选择哪种分配方式由Java堆是否规整所决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定, 标记压缩（整理）算法会整理内存碎片，堆内存一存对象，另一边为空闲区域,标记清除算法清理过后的堆内存，就会存在很多内存碎片。

3、 处理并发问题；

在上面分配内存时,如果同时有多个线程多个new对象动作, 有同时抢占同一块内存的可能

1、采用CAS+失败重试或者区域加锁机制保证更新的原子性；
2、每个线程预先分配TLAB-通过设置-XX:+UseTLAB参数来设置.即在Eden区给每个线程分配一块区域；
3、 初始化分配到的内存；

所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值可以直接使用

1、 设置对象的对象头；

将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。

1、 执行init方法进行初始化；
2、在Java程序的视角看来，初始化才正式开始初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量；
3、因此一般来说（由字节码中跟随invokespecial指令所决定），new指令之后会接着就是执行init方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完成创建出来；

总结上面所有的操作,回顾给对象属性赋值的顺序：(静态字段在加载类元数据时,就已经初始化完成: /zhuanlan/java/jvm/3/2.html#_label1_1)

1、属性的默认值初始化(初始化内存空间时)；
2、显示初始化/代码块初始化（并列关系，谁先谁后看代码编写的顺序）；
3、构造器初始化；

代码例子:

/**
 * 测试对象实例化的过程
 *  ① 加载类元信息 - ② 为对象分配内存 - ③ 处理并发问题  - ④ 属性的默认初始化（零值初始化）
 *  - ⑤ 设置对象头的信息 - ⑥ 属性的显式初始化、代码块中初始化、构造器中初始化
 *
 *
 *  给对象的属性赋值的操作：
 *  ① 属性的默认初始化 - ② 显式初始化 / ③ 代码块中初始化 - ④ 构造器中初始化
 */

public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "匿名客户";
    }
    
    public Customer(){
        acct = new Account();
    }

}
class Account{

}

jvm指令中方法的字节码指令：也就是最后一步java视角的初始化工作

显示初始化：id = 1001;
代码块初始化：name = "匿名客户";
构造器初始化：acct = new Account();

2. 对象的内存布局

可见另一篇博文中的对象内存模型: https://www.cnblogs.com/xjwhaha/p/13949512.html#autoid-1-0-0

结合对象的内存模型, 再回看整个jvm运行时数据区的布局

代码:

public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "匿名客户";
    }
    public Customer(){
        acct = new Account();
    }

}
class Account{

}

public class ObjectTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
    }
}

从main方法线程开始:

3. 对象的访问定位

我们在方法内部创建了一个对象,并赋值给一个变量, 对象是在堆中存储, 引用变量存在方法的局部变量表中, 那么jVM是如何通过栈帧中的对象引用访问到其内部的对象实例呢？

对象的两种访问方式：句柄访问和直接指针

1、句柄访问

示意图:

1、缺点：在堆空间中开辟了一块空间作为句柄池，句柄池本身也会占用空间；通过两次指针访问才能访问到堆中的对象，效率低；
2、优点：reference中存储稳定句柄地址，对象被移动（垃圾收集时移动对象很普遍）时只会改变句柄中实例数据指针即可，reference本身不需要被修改；

2、直接指针（HotSpot采用）