一文掌握虛擬機(jī)創(chuàng)建對(duì)象的秘密
勿在流沙筑高臺(tái)，出來(lái)混遲早要還的。
本文主要內(nèi)容講解HotSpot虛擬機(jī)在Java堆中對(duì)象是如何創(chuàng)建、內(nèi)存分配布局和訪問(wèn)方式。
本文地圖：
一、給你創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象
如果你是一直從第一季看過(guò)來(lái)的，那一定知道前面有個(gè)地方講過(guò)類的整個(gè)生命周期，之前只是講到了初始化階段，類是如何使用和類是如何被卸載還沒(méi)有進(jìn)行講解!那本文就簡(jiǎn)單介紹一下類的使用，我們new 一個(gè) “如花” 似玉的girl!
這里再回顧一下，類從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中開(kāi)始，到卸載出內(nèi)存為止，它的生命周期包括了七個(gè)階段：
- 加載(Loading)
- 驗(yàn)證(Verification)
- 準(zhǔn)備(Preparation)
- 解析(Resolution)
- 初始化(Initialization)
- 使用(Using)
- 卸載(Unloading)
在Java中我們用使用一個(gè)類，很多時(shí)候是創(chuàng)建這個(gè)類的一個(gè)實(shí)例，也就是常說(shuō)的創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象。其實(shí)在Java程序運(yùn)行過(guò)程中，無(wú)時(shí)無(wú)刻都有對(duì)象被創(chuàng)建出來(lái)。創(chuàng)建對(duì)象(如克隆、反序列化)通常僅僅是一個(gè)new關(guān)鍵字而已。但是在Java虛擬機(jī)中一個(gè)對(duì)象(只是普通的java對(duì)象，不包括數(shù)組和Class對(duì)象等)的創(chuàng)建是怎么一個(gè)過(guò)程呢?
第一：虛擬機(jī)遇到一條new指令時(shí)，首先會(huì)去檢查這個(gè)指令的參數(shù)是否能夠在常量池中定位到一個(gè)類的符號(hào)引用。然后檢查這個(gè)符號(hào)引用代表的類是否已經(jīng)被加載、解析和初始化過(guò)。如果沒(méi)有進(jìn)行類加載則執(zhí)行相應(yīng)的類加載的過(guò)程。 記住：要new對(duì)象，要先加載類!
第二：類加載檢查通過(guò)后，虛擬機(jī)將為新生的對(duì)象分配內(nèi)存。對(duì)象所需的內(nèi)存大小在類加載的時(shí)候便可以完全確定(如何確定對(duì)象的下文說(shuō)明) 。為對(duì)象分配內(nèi)存的任務(wù)等同于把一塊確定大小的內(nèi)存從Java堆中劃分出來(lái)。分配方式有 “指針碰撞” 和 “空閑列表” 兩種，選擇那種分配方式由 Java 堆是否規(guī)整決定，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定(對(duì)象在堆上的劃分，這是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，后文繼續(xù)探討，這里只要明白是在對(duì)象是在堆上分配內(nèi)存即可)。 記?。阂猲ew對(duì)象，要有先分配內(nèi)存空間!
第三：內(nèi)存分配完成，虛擬機(jī)需要將分配的內(nèi)存空間都初始化為零值(零值這個(gè)概念之前文章也介紹過(guò)，這里就不再說(shuō)明)，這一步的操作保證了對(duì)象的實(shí)例字段在Java代碼中可以不賦初始值就直接使用，因?yàn)槌绦蚰茉L問(wèn)這些字段的數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)的零值。 記?。阂猲ew對(duì)象，虛擬機(jī)會(huì)幫你為對(duì)象的實(shí)例字段自動(dòng)賦予零值!
第四：虛擬機(jī)要對(duì)對(duì)象進(jìn)行必要的設(shè)置，如這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息(JDK7是方法區(qū)保存)、對(duì)象的哈希碼、對(duì)象的GC分代年齡等信息。這些信息都存放在對(duì)象的對(duì)象頭(Object Header)中。
上面工作都完成之后，在虛擬機(jī)看來(lái)，一個(gè)對(duì)象就已經(jīng)產(chǎn)生了。但是從Java程序的角度看，對(duì)象的創(chuàng)建才剛剛開(kāi)始，因?yàn)?init> 方法還還沒(méi)有執(zhí)行，所有的字段都是為零值。所以一般來(lái)說(shuō)，在new指令之后會(huì)接著執(zhí)行
記?。簩?duì)象不是你想new，想new就可以new的!
下面用通過(guò)圖解的例子簡(jiǎn)單說(shuō)明(版本jdk1.7)：
第一： 一個(gè)PrettyGirl類!
- public class PrettyGirl {
- /**
- * 姑娘姓字名誰(shuí)
- */
- String name;
- /**
- * 芳齡幾何
- */
- int age;
- /**
- * 家住何方
- */
- static String address;
- /**
- * 可曾婚配否
- */
- boolean marry;
- void sayHello(){
- System.out.println("Hello...");
- }
- @Override
- public String toString() {
- return "PrettyGirl{" +
- "name='" + name + '\'' +
- ", age=" + age +
- ", marry=" + marry +
- '}';
- }
- }
方法區(qū)除了保存類的結(jié)構(gòu)，還保存靜態(tài)屬性與靜態(tài)方法。編寫(xiě)中小型程序時(shí)，一般不會(huì)造成方法區(qū)的內(nèi)存溢出!在JDK1.8 沒(méi)有方法區(qū)的概念，前面文章中也有提到，這里為了講解使用圖解還是JDK1.7!
第二：實(shí)例化new兩個(gè)漂亮女孩!
- public static void main(String[] args) {
- PrettyGirl pg1 = new PrettyGirl();
- pg1.name = "Alice";
- pg1.age = 18;
- pg1.address = "changsha";
- PrettyGirl pg2 = new PrettyGirl();
- pg2.name = "Alexia";
- pg2.age = 28;
- System.out.println(pg1 + " ---" + pg1.address);
- System.out.println(pg2 + "----" + pg2.address);
- }
- ----打印結(jié)果：--------
- PrettyGirl{name='Alice', age=18, marry=false} ---changsha
- PrettyGirl{name='Alexia', age=28, marry=false}----changsha
在棧內(nèi)存為 pg1 變量申請(qǐng)一個(gè)空間,在堆內(nèi)存為PrettyGirl對(duì)象申請(qǐng)空間,初始化完畢后將其地址值返回給pg1 ，通過(guò)pg1 .name和pg1 .age修改其值，靜態(tài)的變量address是類公有的!
堆存放對(duì)象持有的數(shù)據(jù)，同時(shí)保持對(duì)原類的引用?？梢院?jiǎn)單的理解為對(duì)象屬性的值保存在堆中，對(duì)象調(diào)用的方法保存在方法區(qū)。
從上圖也可以看到有一個(gè)區(qū)域是棧，在程序運(yùn)行的時(shí)候，每當(dāng)遇到方法 調(diào)用時(shí)候，Java虛擬機(jī)就會(huì)在棧中劃分一塊內(nèi)存稱為棧幀(線程私有，堆和方法區(qū)線程共享的)。就如上面的程序，在調(diào)用main方法的時(shí)候，會(huì)創(chuàng)建一下棧，棧幀中的內(nèi)存供局部變量(包括基本類型和引用類型)使用，基本類型和引用類型后文會(huì)詳情介紹。當(dāng)方法調(diào)用結(jié)束后，虛擬機(jī)會(huì)回收次棧幀占用的內(nèi)存。
tips： 回顧
1、堆內(nèi)存溢出會(huì)發(fā)生 OutOfMemoryError 錯(cuò)誤，提示信息“Java heap Space”。
2、在棧中會(huì)有兩個(gè)異常：
- 如果線程請(qǐng)求的棧的深度大于虛擬機(jī)所允許的最大深度，將拋出StackOverflowError 異常(遞歸可能會(huì)導(dǎo)致此異常)!
- 如果虛擬機(jī)在擴(kuò)展棧時(shí)候無(wú)法申請(qǐng)到足夠的內(nèi)存空間，則拋出OutOfMemoryError異常。
3、如果有方法區(qū) 也會(huì)出現(xiàn)OutOfMemoryError 錯(cuò)誤，提示信息 “PermGen space”。(JDK8 后無(wú)此錯(cuò)誤提示)
每個(gè)區(qū)域都有一些參數(shù)可以設(shè)置，參數(shù)學(xué)習(xí)續(xù)持續(xù)更新!
二、對(duì)象的內(nèi)存布局
感慨，創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象還是挺不容易的!
在HotSpot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中的布局可以分為3塊區(qū)域：對(duì)象頭(Header)、實(shí)例數(shù)據(jù)(Instance data)和對(duì)象填充(Padding)。
那下面就對(duì)這三塊區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：
1、對(duì)象頭- 還是一個(gè)看臉的時(shí)代!
對(duì)象頭包括兩部分信息。第一部分用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如
- 哈希碼(HashCode)，一個(gè)對(duì)象的hashcode是唯一的，如判斷一個(gè)對(duì)象是不是單例的!
- GC分代年齡(標(biāo)明是新生代還是老年代..)
- 鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID(多線程，同步的時(shí)候用到)
- 其他等等….
注： 上面的幾個(gè)點(diǎn)，要結(jié)合和關(guān)聯(lián)其他相關(guān)知識(shí)，理解會(huì)更加深入一點(diǎn)。
如 哈希碼hashCode，對(duì)下面兩個(gè)問(wèn)題如果你又自己的一些思考，歡迎留言探討!
- 重寫(xiě)了equals 必須要重寫(xiě)hashcode，思考一下，為什么?如果不重寫(xiě)在使用HashMap的時(shí)候會(huì)有出現(xiàn)什么問(wèn)題?
- HashMap中相同key存入數(shù)據(jù)不替換，而是進(jìn)行疊加存儲(chǔ)，怎么實(shí)現(xiàn)?
問(wèn)題2提示：只要重寫(xiě)了key的hashCode()和Map的put()方法，其實(shí)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于相同key下疊加存儲(chǔ)不同的value了。
第二部分是類型指針，即對(duì)象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過(guò)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是那個(gè)類的實(shí)例。(就如我們上圖的箭頭，可以簡(jiǎn)單理解為指針!)
說(shuō)明：
(1)、并不是所有的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)都是必須在對(duì)象數(shù)據(jù)上保留類型指針，也就是查找對(duì)象的元數(shù)據(jù)并一定經(jīng)過(guò)對(duì)象本身!
(2)、如果對(duì)象是一個(gè)Java數(shù)組，那在對(duì)象頭中還必須有一塊用于記錄數(shù)組長(zhǎng)度的的數(shù)據(jù)，因?yàn)樘摂M機(jī)可以通過(guò)普通Java對(duì)象的元數(shù)據(jù)確定Java對(duì)象的大小，但是從數(shù)組的元數(shù)據(jù)卻無(wú)法確定數(shù)組的大小。
2、實(shí)例數(shù)據(jù)-了解了外在美，還要注重內(nèi)在美!
實(shí)例數(shù)據(jù)部分是對(duì)象真正存儲(chǔ)的有效信息，也就是程序代碼中定義的各種類型的字段內(nèi)容。
不論是從父類繼承下來(lái)的，還是在子類中定義的，都需要記錄起來(lái)。記錄的存儲(chǔ)順序會(huì)受到虛擬機(jī)分配策略參數(shù)和字段在Java源碼中的定義的順序相關(guān)。
3、對(duì)齊填充-對(duì)齊填充成為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)紅!
對(duì)象的填充并不是必然存在的，也沒(méi)有特別的含義，它僅僅起著占位符的作用!由于HotSpot VM的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)要求兌現(xiàn)的起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，也就是說(shuō)對(duì)象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。而對(duì)象頭部分正好是8字節(jié)的整數(shù)倍，因此當(dāng)對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)部分沒(méi)有對(duì)齊時(shí)候，就需要填充來(lái)補(bǔ)全。
(類比記憶對(duì)齊填充，由于審美的標(biāo)準(zhǔn)，有一些人天生就是俊俏的臉蛋和好的身材，不需要進(jìn)行其他的填充，有一些人可能有好看的臉蛋，但是某些地方和標(biāo)準(zhǔn)還差點(diǎn)意思，就需要填充來(lái)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn))
tips：字節(jié)
字節(jié)(byte)計(jì)算機(jī)里用來(lái)存儲(chǔ)空間的基本計(jì)量單位。8個(gè)二進(jìn)制位(bit)構(gòu)成了一個(gè)字節(jié)(byte)即1byte=8bit。
三、如何“約”(定位)一個(gè)對(duì)象
認(rèn)識(shí)了一個(gè)對(duì)象后，不能總是聊微信，也要約一下吃個(gè)飯啥的! 那在Java中建立了一個(gè)對(duì)象，那肯定是要使用對(duì)象的。Java程序是如果找到具體的對(duì)象的呢?
在Java程序中需要通過(guò)棧上的reference數(shù)據(jù)來(lái)操作堆上的具體對(duì)象(如開(kāi)篇的圖示，棧上面的引入指向堆中具體對(duì)象)。但是由于Reference類型在Java虛擬機(jī)規(guī)范中只規(guī)定了一個(gè)指向?qū)ο蟮囊?，并沒(méi)有定義這個(gè)引用應(yīng)該通過(guò)何種方式去定位、訪問(wèn)堆中的對(duì)象的具體位置，所以對(duì)象訪問(wèn)方式也是取決于虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)而定的。
目前主流的訪問(wèn)方式有使用句柄和直接指針兩種。
第一：句柄
使用句柄訪問(wèn)，在Java對(duì)中將會(huì)劃分出一塊內(nèi)存來(lái)作為句柄池，reference中存儲(chǔ)的就是對(duì)象的句柄地址，而句柄中包含了對(duì)象的實(shí)例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自 的具體地址信息，如圖，
第二：直接指針
使用直接指針，在Java堆對(duì)象的布局中就必須考慮如果放置訪問(wèn)類型數(shù)組的相關(guān)信息，而reference中存儲(chǔ)的直接就是對(duì)象的地址，如圖：
兩種方式都各自優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)單總結(jié)：
句柄：最大的好處就是reference中存儲(chǔ)的是穩(wěn)定的句柄地址，在對(duì)象被移動(dòng)(垃圾收集移動(dòng)對(duì)象是非常普通的行為)時(shí)只會(huì)改變句柄中的實(shí)例數(shù)據(jù)指針，而Reference本身不需要修改。
直接指針：最大的好處就是速度更快，它節(jié)省一次指針定位的開(kāi)銷，在Java中對(duì)象的訪問(wèn)是非常頻繁的，因此能減少這類開(kāi)銷對(duì)提高性能還是非常客觀的。
虛擬機(jī)Hotspot使用的就是直接指針這種方式。但是其他的語(yǔ)言和框架中使用句柄的情況也很常見(jiàn)!
四、本文總結(jié)
本文主要整理了Java中一個(gè)對(duì)象的創(chuàng)建，對(duì)象的內(nèi)存布局以及如何定位一個(gè)對(duì)象! 也讓我們知道對(duì)象不是你想new就可以new的，new出的對(duì)象想要“約”也是有不同方式的。
