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深入学习JVM【2】HotSpot虚拟机对象探秘

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虚拟机运行时数据区域描述了虚拟机管理的内存划分情况,但是目前我们对于虚拟机还是有很多困惑,比如:

  • 问题1:如何为对象分配内存?

  • 问题2:对象内存模型是怎样的?

  • 问题3:是怎样访问内存中的对象的?

  • 问题4:分配内存的时候如果遇到并发问题,怎么保证分配操作的线程安全性?

为了搞清楚这些问题,我们先从虚拟机是如何创建对象开始讲起。

一、对象创建过程

当虚拟机遇到一条new 指令时,便会进行对象的创建过程。

创建对象的过程如下:

  1. 检查常量池中有没有这个类的符号引用,并且检查这个符号引用代表的类有没有被虚拟机加载过。

如果没有被加载过,则执行类加载过程,然后进入下一步;
如果已加载,则进入下一步。

  1. 根据方法区中类的信息,在堆区划分一块确定大小的内存给对象。

(经过类加载后,类的信息被保存在方法区中,一个类的对象所需的内存大小也固定下来。)

  1. 为对象的成员变量赋初始值

内存分配完成之后,需要对分配的内存空间部分区域的内容都初始化为零值。
这一步保证了对象成员变量在java代码中可以不赋初始值。

  1. 设置对象头中的信息
    关于对象头是什么, 别急,继续往下看。

  2. 调用<init>方法进行初始化
    别再问<init>是什么了,先往下看。

二、问题1解惑:

在堆区分配内存有两种方式。

  • 指针碰撞法

如果堆中内存是规整的,即所有用过的内存都放在一边,空闲的内存放在另一边,中间用一个指针做分界点的指示器。

分配内存的过程,实际上就是指针向空闲空间那边移动一段与对象大小相等的距离

  • 空闲列表法

java堆中的内存如果不是规整的,就需要使用空闲列表的分配方式。

空闲列表概念:虚拟机维护了一个列表,用于记录哪些内存块是可用的。

在分配的时候,从列表中找到一块满足对象大小的内存空间划分给对象实例,同时会更新列表上的记录

  • 关于两种分配方式的选择

选择哪种分配方式取决于java堆是否规整。

而java堆是否规整取决于所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理的功能。

因此,选择哪种分配方式最终取决于使用了哪种垃圾收集器

  • 使用了指针碰撞的垃圾收集器有哪些?

serial、ParNew等基于复制算法或标记整理(Mark Compact)算法的收集器,不会导致内存碎片,因此使用的是指针碰撞。

  • 采用空闲链表垃圾收集器有哪些?

CMS等基于Mark-Sweep(标记清除)算法的收集器,会产生内存碎片,所以使用空闲列表法。

三、问题2解惑

对象在内存中的数据除了实例本身的数据外,还包括对象头对齐填充

3.1 实例数据

实例数据存储的是成员变量的值,包括从父类继承下来的成员变量。

成员变量在内存中的顺序:相同宽度的字段会分配在一起,父类定义的变量会出现在子类之前,
默认情况下,子类中较窄的变量可能会被插入到父类变量的间隙中。反正就是不一定按定义的顺序来分配。

3.2 对象头是什么?

对象头的作用是记录对象在运行过程中所需的数据

比如对象属于哪个类的实例、所属类的信息在方法区中的位置(类型指针)、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息就保存在对象头中(Object Header)

3.3 对齐填充又是什么?

对齐填充是用于确保对象的内存的总长度为8字节的整数倍。

为什么要是确保是8字节的整数倍呢?

因为hotspot要求对象起始地址为8字节的整数倍以便于自动内存管理,
换句话说,对象的总长度要为8字节的整数倍才能保证如此。
而又因为对象头正好是8字节(32位或64位)的整数倍,但是实例数据长度是任意的,因此需要对齐补充来确保整个对象总长度为8字节的整数倍。

四、问题3解惑

java程序需要通过引用来操作堆上的具体数据。
根据引用存放的地址类型的不同,对象有不同的访问方式

主要有两种访问方式:

  • 使用句柄访问

  • 使用直接指针访问

4.1 使用句柄访问

webp

图片来源https://blog.csdn.net/java2000_wl/article/details/8015105

堆中会划分一块内存用来做句柄池。引用中存储的就是对象的句柄地址。句柄包含了对象实例数据和对象类型的数据的指针。

通过引用访问对象的时候,会首先根据引用找到对象的句柄,然后根据句柄中对象的地址来访问对象。

4.2 使用直接指针访问

webp

图片来源https://blog.csdn.net/java2000_wl/article/details/8015105

引用中存储的直接是对象的地址,直接通过引用来访问对象。

4.3 两种方式对比

  • 使用句柄

    • 优点:引用中存储的是稳定的句柄地址,发生垃圾收集时可能会移动对象,这时候只需要改变句柄中实例数据的指针指向新对象,而引用的值不需要改。

    • 缺点:需要两次寻址。

  • 使用直接指针

    • 优点:速度快,一次寻址即可。

    • 缺点:需要在对象实例的内存中保存一个指向方法区中该类型数据的指针。不过使用句柄方式句柄中也需要保存类型指针。

直接指针的速度快,hotspot采用就是直接指针的方式

五、问题4解惑

对象分配内存不是线程安全的,比如给对象A分配内存,还没来得及修改指针的指向,
另一个线程创建对象B也用了原来的指针,这样就会出问题的。

如何解决?

  • 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指针操作的原子性。

  • 方案2:把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行

即:每个线程在java堆中预分配一小块内存,
这一小块内存称作“本地线程分配缓冲"(Thread Local Allocation Buffer, TLAB)

内存分配的过程就可以总结为:不同线程使用指针碰撞或者空闲列表的方式在各自的TLAB上分配内存。

当线程的TLAB用完需要分配新的TLAB,这时候才需要同步内存分配操作。

虚拟机是否需要使用TLAB,可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来决定。

六、遗留问题:<init>方法是个啥?

从上面对象的创建过程,我们可以了解到,在内存分配完成之后,所有成员变量的值都还只是零值。

对于虚拟机来说,对象创建已经完毕,但是,对于java程序来说,对象的初始化才刚开始。

成员变量的初始化工作交由<init>方法的来完成。

编译器收集了成员变量上的赋值操作,实例初始化代码块的赋值操作,以及构造方法中的赋值操作,构成了<init>方法,并执行,对象就得到了初始化。

学习过java基础的人都知道,初始化的顺序为: 成员变量上的赋值-->实例初始化块-->构造方法。

<init>方法就解释了为什么是这个过程。

七、讲点对象头

对象头的内存模型分三部分:

  • Mark Word

  • 类型指针

  • 记录数组的长度

7.1 Mark Word

存放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。
长度为32位或者64位(32位虚拟机和64位虚拟机)。

mark word是一个非固定的数据结构,在不同情况下结构会有所变化。

比如:在32位的虚拟机中,如果对象处于未被锁定的状态,
mark Word的32位空间将有25位用于存储hashcode,
4位用于存储对象的分代年龄,2位用于存储对象上锁
标志,1位固定为0

这些东西我就不一个个介绍他们是用来干嘛的,讲多了反而复杂,大概了解就行,有兴趣的可以百度。

7.2 类型指针

一个指向类元数据的指针,通过这个指针,可以确定对象是哪个类的实例。记住,这个指针是在对象头中,但不是在Mark Word中的。

7.3 数组长度

如果对象是一个数组,在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据。

这一部分仅在对象是数组的时候存在。




作者:Coder_Ring
链接:https://www.jianshu.com/p/a8574261a743


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