HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象是如何创建、如何布局以及如何访问的？

Java内存区域与内存溢出异常

1. 概述（为什么要去了解虚拟机是怎样使用内存的？）

2. 运行时数据区域（虚拟机中的内存是如何划分的？）

3. HotSpot 虚拟机对象探秘 （HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象是如何创建、如何布局以及如何访问的？）

4. 实战：OutOfMemoryError 异常（哪部分区域、什么样的代码和操作可能导致内存溢出异常？）

3、HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象是如何创建、如何布局以及如何访问的？

3.1 对象的创建

@语言上，创建对象通常仅仅是一个 new 关键字而已，而在虚拟机中，对象（限于普通 Java 对象，不包括数组和 Class 对象等）的创建又是怎样一个过程？

答：类加载–》分配内存–》初始化–》设置对象信息

细化以上的过程：

①、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。

②、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。分配方式：指针碰撞、空闲列表。

③、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。

④、接下来，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、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头之中。

注意：以上工作都完成之后，虚拟机的视角：一个新的对象已经产生了。Java 程序的视角：对象创建才刚刚开始—— init 方法还没有执行，所有的字段都还为零。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。

@两种内存分配方式（指针碰撞、空闲列表）分别是怎样一个过程？

答：①、指针碰撞：假设 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那边挪动一段与对象大小相等的距离。

②、空闲列表：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替，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。

@应该选择哪种分配方式？[/b]

答：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压缩整理功能决定。

因此，在使用 Serial、ParNew 等带有 Compact 过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，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。

分配内存时，可能会出现的线程安全问题

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。

@怎么解决这一问题？

答：两种方案。

①、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；

②、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（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。

@虚拟机如果使用 TLAB？

答：可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来设定。具体添加参数的过程，请参照eclipse 和 IDEA 设置虚拟机启动参数

@分配完内存之后，为什么要进行初始化操作？

答：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。

3.2 对象的内存布局

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）。

对象头包括两部分信息：

第一部分用于存储①对象自身的运行时数据，如哈希码、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 32bit、64bit，官方称它为“Mark Word”。

另外一部分是②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。

@为什么当对象是一个 Java 数组，在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

答：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，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

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（无论是从父类中继承下来的，还是在子类中定义的）。

@这部分数据的存储顺序是怎样的？

答：它会受到虚拟机分配策略参数和字段在 Java 源码中定义顺序的影响。

HotSpot虚拟机默认的分配策略为：longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，①相同宽度的字段总是被分配到一起。

在满足这个前提条件的情况下，②在父类中定义的变量会出现在子类之前。

如果 CompactFields 参数值为 true（默认为 true），那么③子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

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。

3.3 对象的访问定位

我们需要通过栈上的 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法去定位、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哪些？

使用句柄和直接指针两种。

①如果使用句柄访问的话，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的具体地址信息。



②如果使用直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象地址。



@两种访问方式各自的优势在哪？

句柄访问：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 本身不需要修改。

直接指针访问：速度更快，它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，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

最后，就我们讨论的主要虚拟机 Sun HotSpot 而言，它是使用第二种方式（直接指针）进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况十分常见。

未完待续······