在大概了解了Java虛擬機中內(nèi)存的大致分布后，接下來就應該了解虛擬機是如何在內(nèi)存中管理對象的，畢竟Java是一門面向對象的語言，在Java程序的運行過程中會不斷有對象創(chuàng)建出來。為了方便，這里僅僅以HotSpot虛擬機和Java堆內(nèi)存為例，介紹下HotSpot虛擬機在Java堆中對象分配、布局和訪問的過程。

1、對象的創(chuàng)建

在Java語言中，我們可以使用new關鍵字創(chuàng)建一個對象（這里僅僅討論普通的Java對象，不包括數(shù)組和Class對象等），在虛擬機中，創(chuàng)建對象的過程比我們想象的要復雜一些。

在虛擬機創(chuàng)建對象之前會加載類，這部分也比較重要，這里先略過這部分，假設要創(chuàng)建的對象已經(jīng)加載成功。我們從虛擬機的角度來考慮，如果要創(chuàng)建一個對象，要考慮這幾個問題：

• 創(chuàng)建對象就要內(nèi)存，在哪里分配內(nèi)存？
• 有了可以分配內(nèi)存的地方，然后內(nèi)存如何分配呢？
• 實際中對象創(chuàng)建非常頻繁，如何保證分配內(nèi)存時的線程安全？
• 分配完內(nèi)存后如何設置內(nèi)存要存儲的內(nèi)容？

首先，Java堆是線程共享的，大多數(shù)對象都會在這里創(chuàng)建，所以虛擬機也會在這里創(chuàng)建對象。但是Java堆是一塊內(nèi)存區(qū)域，在從這塊內(nèi)存中分出一塊可用的空間來創(chuàng)建對象時有兩種分配方式：指針碰撞和空閑列表。這兩種分配方式基于堆內(nèi)存是否是規(guī)整的來選擇的。如果Java堆中的內(nèi)存絕對規(guī)整，所有用過的內(nèi)存在一邊，所有沒用過的內(nèi)存在一邊，那么就可以維護一個作為中間分界線的指針，需要分配內(nèi)存時，只需要將分界線向空閑方向移動相應的距離即可。

如果Java堆中的內(nèi)存不是規(guī)整的，已經(jīng)使用的內(nèi)存和沒有使用的內(nèi)存相互交錯，那么就需要虛擬機維護一個未被使用的空間的列表，即空閑列表，這里記錄哪些內(nèi)存是可用的，分配的時候找出一塊夠用的空間進行佩芬，并在分配后更新這個列表。

那么如何選擇這兩種方式呢？看起來是由Java堆是否規(guī)整決定，但Java堆是否規(guī)整又是由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定的。這就涉及到了Java垃圾回收機制，這里不過多介紹。

雖然Java中沒有指針，但是虛擬機在內(nèi)存中還是會使用指針的。就是說，分配一塊內(nèi)存后，用一個指針表示這塊內(nèi)存。這樣，如果當多個線程同時創(chuàng)建對象時，可能會出現(xiàn)這樣的問題：正在給對象A分配內(nèi)存，指針還沒來得及修改，對象B又同時使用了原來的指針來分配內(nèi)存。

對于這個問題，有兩個解決方法。實際上虛擬機采用CAS加上失敗重試的方式保證更新操作的原子性；另一種是使用本地線程分配緩沖（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。TLAB是每個線程在Java堆中預先分配的一小塊內(nèi)存，哪個線程要分配內(nèi)存，就在那個線程的TLAB上分配，只有TLAB上不夠并分配新的TLAB時才需要同步。

內(nèi)存分配后，虛擬機將分配的內(nèi)存空間都初始化為零值（不包括對象頭，對象頭在后面介紹）。如果使用TLAB，那這個工作就在TLAB分配時進行。這樣就保證了對象的實例字段在Java代碼中可以不賦初值就直接使用，程序能訪問到這些字段的數(shù)據(jù)類型對應的零值。

之后，虛擬機要對對象進行必要的設置，比如這個對象是哪個類的實例、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對象頭中。

這是，在虛擬機看來，一個新的對象就創(chuàng)建完成了，不過，對象還沒有初始化，所有的實例字段還都是零值，即對于Java程序來說，對象的創(chuàng)建才剛開始。然后執(zhí)行對象的構造函數(shù)，將對象按照類的構造函數(shù)所期望的進行初始化，這樣，一個對象就創(chuàng)建完了。

2、對象的內(nèi)存布局

上面介紹了對象是如何創(chuàng)建的，那么分配的那塊內(nèi)存到底存了什么呢？

在HotSpot虛擬機中，對象在內(nèi)存中存儲的布局可以分為3塊：對象頭（Header）、實例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對齊數(shù)據(jù)（Padding）。

對象頭包含兩部分，第一部分用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，和哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標志、線程持有的鎖、偏向鎖ID、偏向時間戳等，這部分數(shù)據(jù)的長度在32位和64為位的虛擬機中分別是32位和64位，官方叫“Mark Word”。Mark Word結構如下：

由于對象要存儲的運行時數(shù)據(jù)很多，已經(jīng)超過了限制的長度，Mark Word被設計成了非固定的數(shù)據(jù)結構，以便在極小的空間內(nèi)存儲更多的數(shù)據(jù)，它會根據(jù)對象的狀態(tài)復用自己的存儲空間，如上圖。

對象頭的另一部分是類型指針，即對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機可以通過這個指針來確定這個對象屬于哪個類。并不是所有的虛擬機實現(xiàn)都必須在對象數(shù)據(jù)上保留類型指針，也就是說查找對象的元數(shù)據(jù)信息不一定要經(jīng)過對象本身。另外，如果對象是一個Java數(shù)組，那么對象頭中還必須有一塊用于記錄數(shù)組長度的數(shù)據(jù)，因為虛擬機可以根據(jù)普通Java對象的元數(shù)據(jù)信息確定對象的大小，但是從數(shù)組的元數(shù)據(jù)中無法確定數(shù)組的大小。

接下來的數(shù)據(jù)是對象真正存儲的有效信息，也是程序代碼中所定義的各種類型的字段的內(nèi)容。無論是從父類繼承來的，還是子類中定義的，都要記錄下來。這部分的存儲順序會受到虛擬機分配策略參數(shù)和字段在類中定義的順序的影響。HotSpot虛擬機默認的分配策略是longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers)，可以看出，相同寬度的字段總是分配到一起。在這個情況下，父類的字段會在子類之前。

第三部分是填充數(shù)據(jù)，這部分不是必須的，僅僅起到占位符的作用。HotSpot虛擬機的自動內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對象的起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，如果不夠的話，就需要填充來補齊。

3、對象的訪問定位

上面的兩部分解決了如何分配內(nèi)存以及在內(nèi)存中存放什么數(shù)據(jù)的問題。經(jīng)過這兩個步驟就創(chuàng)建好了一個Java對象，但創(chuàng)建對象是為了使用的。在Java虛擬機棧中有局部變量表，用來存儲一個方法要用到的局部數(shù)據(jù)。對于基本類型的數(shù)據(jù)可以直接存放數(shù)據(jù)，但是對于對象實例就不可以了，因為對象種類太多也不能確定大小。這時可以用reference引用類型表示一個對象實例，這個reference指向Java堆中創(chuàng)建好的對象，就可以使用了。

不過，這個Java堆中的數(shù)據(jù)要使用時還需要知道所屬的類的元數(shù)據(jù)信息，比如這個對象是屬于哪個類的。這時，如何確定對象的類型數(shù)據(jù)就有兩個方法：使用句柄訪問和使用直接指針訪問。

如果使用句柄訪問，那么Java堆中就會劃出一塊內(nèi)存來作為句柄池，reference中存放的就是對象的句柄地址，而句柄中包括了對象實例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自的具體地址信息，如下圖：

這樣，reference就可以找到實例數(shù)據(jù)和類型數(shù)據(jù)了。

如果使用直接指針訪問的話，那么Java堆對象的布局就需要存放類型數(shù)據(jù)的相關信息了，而reference中存放的就是對象地址，如下圖：

這兩種對象訪問方式各有優(yōu)勢，使用句柄來訪問的最大好處就是reference中存儲的就是穩(wěn)定的句柄地址，在對象被移動（垃圾回收中這種情況經(jīng)常發(fā)生）時只會改變句柄中的實例數(shù)據(jù)指針，而reference本身不需要修改。

使用直接指針訪問的方式的最大好處就是速度更快，因為它節(jié)省了一次指針定位的時間開銷，由于Java中對象的訪問非常頻繁，這樣的積累還是有很客觀的性能提升的。而HotSpot中就是使用的這種訪問方式。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的HotSpot虚拟机在Java堆中对对象的管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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