JVM 对象创建机制

2020/09/16

对象创建的过程

Java 创建对象的过程:

类加载检查 –> 分配内存 –> 初始化零值 –> 设置对象头 –> 执行 init 方法

类加载检查

虚拟机遇到一条 new 指令时,首先将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。

new 指令对应到语言层面上讲是,new 关键词、对象克隆、对象序列化。

分配内存

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,为对象分配空间的任务等同于把 一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。

这个步骤有两个问题:

  1. 如何划分内存。

  2. 在并发情况下, 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。

划分内存的方法:

  • “指针碰撞”(Bump the Pointer)

    如果 Java 堆中内存是绝对规整的,所有用过的内存都放在一边,空闲的内存放在另一边,中间放着一个指针作为分界点的指示器,那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。

  • “空闲列表”(Free List)

    如果 Java 堆中的内存并不是规整的,已使用的内存和空闲的内存相互交错,那就没有办法简单地进行指针碰撞了,虚拟机就必须维护一个列表,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。

解决并发问题的方法:

  • CAS(compare and swap)

    虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性来对分配内存空间的动作进行同步处理。

  • 本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)

    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。

初始化

内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头),如果使用 TLAB,这一工作过程也可以提前至 TLAB 分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用,程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

设置对象头

初始化零值完成后,虚拟机要对对象进行必要的设置,例如这个对象是哪个类的实例,如何能找到类的元数据信息,对象的哈希码,对象的 GC 分代年龄信息等,这些对象存放在对象头中。另外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。

执行 init 方法

在上面工作完成之后,从虚拟机的角度来看,一个新的对象已经产生了,但从 Java 程序的视角来看,对象的创建才刚开始,init 方法还没有执行,左右的字段都还是零。所以一般来说,执行 new 指令之后会接着执行 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全创建出来。

init 方法由非静态变量、非静态代码块以及对应的构造器组成。

  • init 方法可以重载多个,类有几个构造器就有几个 init 方法。

  • init 方法中的代码执行顺序为:父类变量初始化,父类代码块,父类构造器,子类变量初始化,子类代码块,子类构造器。

静态变量,静态代码块,普通变量,普通代码块,构造器的执行顺序

具有父类的子类的实例化顺序如下

对象的内存布局

在 HotSpot 虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为 3 块区域:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

对象头

  • HotSpot 虚拟机的对象头包括两部分信息,第一部分用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(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。

  • 另外一部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。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,比如数组。

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序代码中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,都需要记录起来。

对齐填充

对齐填充并不是必然存在的,也没有特别的含义,它仅仅起着占位符的作用。由于 HotSpot JVM 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,换句话说,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(1 倍或者 2 倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问方式

建立对象是为了使用对象,我们的 Java 程序需要通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。由于 reference 类型在 Java 虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置,所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

句柄访问

如果使用句柄的话,那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference 中存储的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。(对象的实例数据在 Java 堆中,对象的类型数据在方法区)

直接指针访问

如果使用直接指针访问,那么 Java 堆对象的布局就必须考虑如何防止访问类型数据的相关信息,reference 中存储的直接就是对象的地址。

两种访问方式比较

这两种对象的访问方式各有优势。使用句柄访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址,在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针,而 reference 本身不需要修改,使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快,它节省了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一项非常可观的执行成本。对于 Sun HotSpot 而言,使用第二种方式进行对象访问的。

对象创建的方式

使用 new 创建对象

使用 new 关键字创建对象应该是最常见的一种方式,但是使用 new 创建对象会增加耦合度,所以无论使用什么框架,都要减少 new 的使用以降低耦合度。

Hello hello = new Hello();

使用 Class 类的 newInstance 方法

Class helloClass = Class.forName("cn.test.Hello");
Hello hello = (Hello) helloClass.newInstance();

使用 Constructor 类的 newInstance 方法

Class helloClass = Class.forName("cn.test.Hello");
Constructor constructor = helloClass.getConstructor();
Hello hello = (Hello) constructor.newInstance();

使用 clone 方法

使用 clone 时,需要已经有一个分配了内存的源对象,创建新对象时,首先应该分配一个和源对象一样大的内存空间。

注意:要调用 clone 方法需要实现 Cloneable 接口。

Hello h1 = new Hello();
Hello h2 = (Hello) h1.clone();

使用序列化机制

使用序列化时,要实现 Serializable 接口,将一个对象序列化到磁盘上,而采用反序列化可以将磁盘上的对象信息转化到内存中。

参考

https://www.cnblogs.com/ironHead-cjj/p/11443057.html

http://hehear.com/article/44.html

https://www.jianshu.com/p/83060e3098b8

https://segmentfault.com/a/1190000022640316

https://www.cnblogs.com/zhuxiaopijingjing/p/12704116.html

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