1.对象的实例化

1.1 大厂面试题

美团

1. 对象在JVM中是怎么存储的？

2. 对象头信息里面有哪些东西？

蚂蚁金服

二面：java对象头里有什么?

1.2 创建对象的方式

• new：最常见的方式、单例类中调用getInstance的静态类方法、XXXFactory的静态方法
• Class的newInstance方法：反射的方式，在JDK9里面被标记为过时的方法，因为只能调用空参构造器，并且权限必须为 public
• Constructor的newInstance(Xxxx)：反射的方式，可以调用空参或带参的构造器，权限没有要求
• 使用clone( )：不调用任何的构造器，要求当前的类需要实现Cloneable接口中的clone( )方法
• 使用反序列化：序列化一般用于Socket的网络传输
• 第三方库 Objenesis

1.3 创建对象的步骤

从字节码角度看待对象的创建过程

public class ObjectTest {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
    }
}

• main( ) 方法对应的字节码（后面细讲）

  • 调用 new 指令后后，加载 Object 类
  • 调用 Object 类的 init( ) 方法

0: new           #2                  // class java/lang/Object
3: dup
4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
7: astore_1
8: return

1.3.1 判断对象对应的类是否加载、链接、初始化

• 虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的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经被加载，解析和初始化。（即判断类元信息是否存在）。
• 如果该类没有加载，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader + 包名 + 类名为key进行查找对应的.class文件，如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，如果找到，则进行类加载，并生成对应的 Class 类对象。

1.3.2 为对象分配内存

• 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。(首先计算对象占用空间的大小，接着在堆中划分一块内存给新对象)
  • 如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小

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：(默认用指针碰撞)

• 如果内存规整：采用指针碰撞分配内存“指针碰撞”（Bump the Pointer）

  • 如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Point）来为对象分配内存。
  • 意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存放另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针往空闲内存那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。
  • 如果垃圾收集器选择的是Serial ，ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。一般使用带Compact（整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。
  • 标记压缩（整理）算法会整理内存碎片，堆内存一存对象，另一边为空闲区域

• 如果内存不规整: 采用“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
  • 意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。这种分配方式成为了 “空闲列表（Free List）”
  • 选择哪种分配方式由Java堆是否规整所决定，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
  • 标记清除算法清理过后的堆内存，就会存在很多内存碎片。

处理并发安全问题

• 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。通过-XX:+/-****UseTLAB参数来设定虚拟机是否使用TLAB(JVM会默认开启-XX:+UseTLAB)，
  • -XX:TLABSize 指定TLAB大小。
  • 在Eden区给每个线程分配一块区域

1.3.3 初始化零值

• 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。

1.3.4 设置对象的对象头

• 初始化零值之后，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Object Header之中。

  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）。 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。对象头的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。

1.3.5 执行init方法进行初始化

• 在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量

因此一般来说（由字节码中跟随invokespecial指令所决定），new指令之后会接着就是执行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成创建出来。

从字节码角度看待init方法

/**
 * 测试对象实例化的过程
 *  ① 加载类元信息 - ② 为对象分配内存 - ③ 处理并发问题  - ④ 属性的默认初始化（零值初始化）
 *  - ⑤ 设置对象头的信息 - ⑥ (属性的显式初始化/代码块中初始化 两者按照排序顺序执行，谁在前谁先执行)构造器中初始化
 *
 *  给对象的属性赋值的操作：
 *  ① 属性的默认初始化 - ② 显式初始化 / ③ 代码块中初始化 - ④ 构造器中初始化
 */
public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "匿名客户";
    }
    
    public Customer(){
        acct = new Account();
    }

}
class Account{

}

2.对象的内存布局

2.1 对象头

对象头包含两部分：运行时元数据（Mark Word）和类型指针

• 运行时元数据

  • 哈希值（HashCode），可以看作是堆中对象的地址
  • GC分代年龄（年龄计数器）
  • 锁状态标志
  • 线程持有的锁
  • 偏向线程ID
  • 偏向时间戳

• 类型指针

  • 指向类元数据InstanceKlass，确定该对象所属的类型。指向的其实是方法区中存放的类元信息

    即是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。

  • 我们都知道getClass()方法是我们Java语言中获取对象类Class实例，并且可以通过Class获取这个类中的相关属性和方法，比如说：getClass().getName()可以得到该类的路径.. 这些功能都是靠底层c++/c语言中对象头中的类型指针实现的

    getClass()返回运行时的类；

    1.示例代码：

    package com.dbzhang.demo4;

    public class Person {
    int id;
    private String name;
    public Person(int id, String name) {
    super();
    this.id = id;
    this.name = name;
    }

    }
    package com.dbzhang.demo4;

    public class Test {

    /**

    • @param args
      */
      public static void main(String[] args) {
      Person p = new Person(1,"zdb");
      System.out.println(p.getClass());
      System.out.println(p.getClass().getName());
      System.out.println(p.getClass().getSimpleName());
      System.out.println(p.id);
      }

    }
    运行结果：

    class com.dbzhang.demo4.Person
    com.dbzhang.demo4.Person
    Person
    1

    汇总：（1）getClass()方法是获得调用该方法的对象的类；getClass().getName()可以得到该类的路径；

    （2）通过getClass()方法得到该对象类Class后，可以通过Class获取这个类中的相关属性和方法；

    ————————————————
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    原文链接：https://blog.csdn.net/zdb292034/article/details/80725633

说明：如果对象是数组，还需要记录数组的长度

32位对象头

2.2 实例数据

• 说明

• 它是对象真正存储的有效信息，包括程序代码中定义的各种类型的字段（包括从父类继承下来的和本身拥有的字段）

• 规则

• 相同宽度的字段总是被分配在一起

• 父类中定义的变量会出现在子类之前（父类在子类之前加载）

• 如果CompactFields参数为true（默认为true）：子类的窄变量可以插入到父类变量的空隙

2.3 对齐填充

不是必须的，也没特别含义，仅仅起到占位符的作用

2.4对象大小与指针压缩

对象大小可以用jol-core包查看，引入依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * 计算对象大小
 */
public class JOLSample {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(new Object());
        System.out.println(layout.toPrintable());

        System.out.println();
        ClassLayout layout1 = ClassLayout.parseInstance(new int[]{});
        System.out.println(layout1.toPrintable());

        System.out.println();
        ClassLayout layout2 = ClassLayout.parseInstance(new A());
        System.out.println(layout2.toPrintable());
    }

    // -XX:+UseCompressedOops           默认开启的压缩所有指针
    // -XX:+UseCompressedClassPointers  默认开启的压缩对象头里的类型指针Klass Pointer，不压缩成员变量，只压缩类型指针
    // Oops : Ordinary Object Pointers
    public static class A {
                       //8B mark word
                       //4B Klass Pointer   如果关闭压缩-XX:-UseCompressedClassPointers或-XX:-UseCompressedOops，则占用8B
        int id;        //4B
        String name;   //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops，则占用8B
        byte b;        //1B 
        Object o;      //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops，则占用8B
    }
}

运行结果

java.lang.Object object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
     0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)    //mark word
     4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)    //mark word     
     8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)    //Klass Pointer
    12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

[I object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
     0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
     4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     8     4        (object header)                           6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363) //如果对象是数组，还需要记录数组的长度
    12     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
    16     0    int [I.<elements>                             N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total


com.tuling.jvm.JOLSample$A object internals:
OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
     0     4                    (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
     4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     8     4                    (object header)                           61 cc 00 f8 (01100001 11001100 00000000 11111000) (-134165407)
    12     4                int A.id                                      0
    16     1               byte A.b                                       0
    17     3                    (alignment/padding gap) // 和上面的byte A.b 的1字节构成4字节 进行对齐           
    20     4   java.lang.String A.name                                    null
    24     4   java.lang.Object A.o                                       null
    28     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

什么是java对象的指针压缩？

1.jdk1.6 update14开始，在64bit操作系统中，JVM支持指针压缩

2.jvm配置参数:UseCompressedOops，compressed--压缩、oop(ordinary object pointer)--对象指针

3.启用指针压缩:-XX:+UseCompressedOops(默认开启)，禁止指针压缩:-XX:-UseCompressedOops

为什么要进行指针压缩？

1.在64位平台的HotSpot中使用32位指针(实际存储用64位)，内存使用会多出1.5倍左右，使用较大指针在主内存和缓存之间移动数据，占用较大宽带，同时GC也会承受较大压力

2.为了减少64位平台下内存的消耗，启用指针压缩功能

3.在jvm中，32位地址最大支持4G内存(2的32次方)，可以通过对对象指针的存入堆内存时压缩编码、取出到cpu寄存器后解码方式进行优化(对象指针在堆中是32位，在寄存器中是35位，2的35次方=32G)，使得jvm只用32位地址就可以支持更大的内存配置(小于等于32G)

4.堆内存小于4G时，不需要启用指针压缩，jvm会直接去除高32位地址，即使用低虚拟地址空间

5.堆内存大于32G时，压缩指针会失效，会强制使用64位(即8字节)来对java对象寻址，这就会出现1的问题，所以堆内存不要大于32G为好，否则会占用大量的带宽，并且gc的压力也会变强

关于对齐填充：对于大部分处理器，对象以8字节整数倍来对齐填充都是最高效的存取方式。

2.4 内存布局总结

3.对象的访问定位

JVM是如何通过栈帧中的对象引用访问到其内部的对象实例呢？

3.1 句柄访问

• 优点：reference中存储稳定句柄地址，对象被移动（垃圾收集时移动对象很普遍）时只会改变句柄中实例数据指针即可，reference本身不需要被修改
• 缺点：在堆空间中开辟了一块空间作为句柄池，句柄池本身也会占用空间；通过两次指针访问才能访问到堆中的对象，效率低

3.2 直接指针(HotSpot采用)

• 优点：直接指针是局部变量表中的引用，直接指向堆中的实例，在对象实例中有类型指针，指向的是方法区中的对象类型数据
• 缺点：对象被移动（垃圾收集时移动对象很普遍）时需要修改 reference 的值

第八章-对象的实例化内存布局与访问定位

原文：https://www.cnblogs.com/tangliMeiMei/p/15228856.html