深入理解 Java 虚拟机 2——对象探秘

《深入理解 Java 虚拟机》第 2 章读书笔记

本文介绍对象的创建过程，包括如何对内存进行分配和对象中内存的布局，还介绍了如何访问对象。本文并非原创，是《深入理解 Java 虚拟机》第 2 章的整理、总结和补充。

对象的创建

堆内存的分配取决于内存是否规整：

• 如果使用 Serial, ParNew 等带 Compact 过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞(Bump the Pointer)——假设内存绝对规整，所有用过的内存都在一边，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把那个指针向空闲空间挪动一段与对象大小相等的距离；

• 而使用 CMS 这种基于 Mark-Sweep 算法的收集器时，通常采用空闲列表(Free List)——如果内存不规整，已使用的和空闲的内存相互交错，那就没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。

对象的创建是非常频繁的，可能出现正在给 A 对象分配内存，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。如何保证并发下线程安全，有两种方案：

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

• 把分配内存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 TLAB 上分配，只有 TLAB 用完并分配新的 TLAB 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。

对象的内存布局

在 HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局分为 3 个区域：

• 对象头(Header)

• 实例数据(Instance Data)

• 对齐填充(Padding)

对象头包括两部分信息：

• 用于存储对象自身的运行时数据：哈希码，GC 分代年龄，锁状态标志等；

• 类型指针：对象指向它的类元数据的指针。如果对象是一个 Java 数组，那在对象头还必须有一块用于记录数据长度的数据。

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，都需要记录下来。

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，仅仅起着占位符的作用。因为 HotSpot VM 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，也就是说对象的大小必须是 8 的整数倍。而对象头刚好是 8 的整数倍，因此，当对象实例数据没有对齐时，就需要对齐填充来补全。

对象的访问

目前有两种主流的访问方式：

句柄访问：Java 堆中划分出一块内存作为句柄池，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(Java 堆)与类型数据(方法区)各自的具体地址信息。

直接指针访问：reference 中存储的直接就是实例对象(Java 堆)的地址，由对象实例数据来存放指向对象类型数据(方法区)的指针。

句柄访问的优势：reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集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，而 reference 本身无需修改。

直接指针访问的优势：速度快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在 Java 中非常频繁，这类开销积少成多后也是非常可观的执行成本。

HotSpot 使用的是直接指针访问。

《深入理解 Java 虚拟机》阅读笔记系列

深入理解Java虚拟机1——内存区域

深入理解Java虚拟机2——对象探秘

深入理解Java虚拟机3——垃圾回收

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作者 张小超

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