小伙伴們大家好呀，我是小牛肉~ 我寫文章的流程一般都是先在看書和看博客的過程中做做筆記，然后過一段時(shí)間再把這些筆記總結(jié)成文章輸出出來，這樣一來能夠加深影響，二來也不至于文章的質(zhì)量太低。從這篇文章的草稿筆記到現(xiàn)在決定開始成文，其實(shí)已經(jīng)有一個(gè)月了，本來覺得趁著寒假可以順理成章地脫離惡心的深度學(xué)習(xí)然后好好地把 JVM 知識(shí)點(diǎn)全都掃一遍，正好囤幾篇文章，誰知道回家后根本無心看書，只能每天刷幾道 LeetCode 來彌補(bǔ)下日積月累的焦慮和罪惡感。

STOP，廢話結(jié)束

今天介紹兩個(gè) JVM 中的高頻基礎(chǔ)題：

• 對(duì)象的創(chuàng)建過程(new 一個(gè)對(duì)象在堆中的歷程)
• 對(duì)象在堆上分配的兩種方式

對(duì)象的創(chuàng)建過程分五步走，如下圖：

我感覺 JVM 如果不看 GC 收集器那塊(滑稽)，似乎東西還不多

老規(guī)矩，背誦版在文末。點(diǎn)擊閱讀原文可以直達(dá)我收錄整理的各大廠面試真題

類加載檢查

對(duì)象創(chuàng)建過程的第一步，所謂類加載檢查，就是檢測我們接下來要 new 出來的這個(gè)對(duì)象所屬的類是否已經(jīng)被 JVM 成功加載、解析和初始化過了(具體的類加載過程會(huì)在后續(xù)文章詳細(xì)解釋~)

具體來說，當(dāng) Java 虛擬機(jī)遇到一條字節(jié)碼 new 指令時(shí)：

1)首先檢查根據(jù) class 文件中的常量池表(Constant Pool Table)能否找到這個(gè)類對(duì)應(yīng)的符號(hào)引用

此處可以回顧一波常量池表 (Constant Pool Table) 的概念：

用于存放編譯期生成的各種字面量(字面量相當(dāng)于 Java 語言層面常量的概念，如文本字符串，聲明為 final 的常量值等)與符號(hào)引用。有一些文章會(huì)把 class 常量池表稱為靜態(tài)常量池。

都是常量池，常量池表和方法區(qū)中的運(yùn)行時(shí)常量池有啥關(guān)系嗎?運(yùn)行時(shí)常量池是干嘛的呢?

運(yùn)行時(shí)常量池可以在運(yùn)行期間將 class 常量池表中的符號(hào)引用解析為直接引用。簡單來說，class 常量池表就相當(dāng)于一堆索引，運(yùn)行時(shí)常量池根據(jù)這些索引來查找對(duì)應(yīng)方法或字段所屬的類型信息和名稱及描述符信息

2)然后去方法區(qū)中的運(yùn)行時(shí)常量池中查找該符號(hào)引用所指向的類是否已被 JVM 加載、解析和初始化過

如果沒有，那就先執(zhí)行相應(yīng)的類加載過程

如果有，那么進(jìn)入下一步，為新生對(duì)象分配內(nèi)存

分配內(nèi)存

類加載檢查通過后，這個(gè)對(duì)象待會(huì)兒要是被創(chuàng)建出來得有地方放他對(duì)吧?

所以接下來 JVM 會(huì)為新生對(duì)象分配內(nèi)存空間。

至于 JVM 怎么知道這個(gè)空間得分配多大呢?事實(shí)上，對(duì)象所需內(nèi)存的大小在類加載完成后就已經(jīng)可以完全確定了。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、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充。

1)Hotspot 虛擬機(jī)的對(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)、GC 分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時(shí)間戳等，這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長度在 32 位和 64 位的虛擬機(jī)(未開啟壓縮指針)中分別為 32 個(gè)比特和 64 個(gè)比特，官方稱它為 “Mark Word”。學(xué)過 synchronized 的小伙伴對(duì)這個(gè)一定不陌生~)
• 另一部分是類型指針，即對(duì)象指向它的類型元數(shù)據(jù)的指針，虛擬機(jī)通過這個(gè)指針來確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例

2)實(shí)例數(shù)據(jù)部分存儲(chǔ)的是這個(gè)對(duì)象真正的有效信息，即我們?cè)诔绦虼a里面所定義的各種類型的字段內(nèi)容，無論是從父類繼承下來的，還是在子類中定義的字段都必須記錄起來。

3)對(duì)齊填充部分不是必須的，也沒有什么特別的含義，僅僅起占位作用。因?yàn)?Hotspot 虛擬機(jī)的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對(duì)象起始地址必須是 8 字節(jié)的整數(shù)倍，換句話說就是對(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)的倍數(shù)(1 倍或 2 倍)，因此，當(dāng)對(duì)象實(shí)例數(shù)據(jù)部分沒有對(duì)齊時(shí)，就需要通過對(duì)齊填充來補(bǔ)全。

對(duì)象在堆上的兩種分配方式

為對(duì)象分配內(nèi)存空間的任務(wù)通俗來說把一塊確定大小的內(nèi)存塊從 Java 堆中劃分出來給這個(gè)對(duì)象用。

根據(jù)堆中的內(nèi)存是否規(guī)整，有兩種劃分方式，或者說對(duì)象在堆上的分配有兩種方式：

1)假設(shè) Java 堆中內(nèi)存是絕對(duì)規(guī)整的，所有被使用過的內(nèi)存都被放在一邊，空閑的內(nèi)存被放在另一邊，中間放著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器，那所分配內(nèi)存就僅僅是把這個(gè)指針 向 空閑空間方向 挪動(dòng)一段與對(duì)象大小相等的距離，這種分配方式稱為 指針碰撞(Bump The Pointer)

2)如果 Java 堆中的內(nèi)存并不是規(guī)整的，已被使用的內(nèi)存和空閑的內(nèi)存相互交錯(cuò)在一起，那就沒有辦法簡單地進(jìn)行指針碰撞了，虛擬機(jī)就必須維護(hù)一個(gè)列表，記錄哪些內(nèi)存塊是可用的，在分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的連續(xù)空間劃分給這個(gè)對(duì)象，并更新列表上的記錄，這種分配方式稱為 空閑列表(Free List)。

選擇哪種分配方式由 Java 堆是否規(guī)整決定，那又有同學(xué)會(huì)問了，堆是否規(guī)整又由誰來決定呢?

Java 堆是否規(guī)整由所采用的垃圾收集器是否帶有空間壓縮整理(Compact)的能力決定的(或者說由垃圾收集器采用的垃圾收集算法來決定的，具體垃圾收集算法見后續(xù)文章)：

因此，當(dāng)使用 Serial、ParNew 等帶壓縮整理過程的收集器時(shí)，系統(tǒng)采用的分配算法是指針碰撞，既簡單又高效

而當(dāng)使用 CMS 這種基于清除(Sweep)算法的收集器時(shí)，理論上就只能采用較為復(fù)雜的空閑列表來分配內(nèi)存

對(duì)象創(chuàng)建時(shí)候的并發(fā)安全問題

另外，在為對(duì)象創(chuàng)建內(nèi)存的時(shí)候，還需要考慮一個(gè)問題：并發(fā)安全問題。

對(duì)象創(chuàng)建在虛擬機(jī)中是非常頻繁的行為，以上面介紹的指針碰撞法為例，即使只修改一個(gè)指針?biāo)赶虻奈恢?，在并發(fā)情況下也并不是線程安全的，可能出現(xiàn)某個(gè)線程正在給對(duì)象 A 分配內(nèi)存，指針還沒來得及修改，另一個(gè)線程創(chuàng)建了對(duì)象 B 又同時(shí)使用了原來的指針來分配內(nèi)存的情況。

解決這個(gè)問題有兩種可選方案：

• 方案 1：CAS + 失敗重試：CAS 大伙應(yīng)該都熟悉，比較并交換，樂觀鎖方案，如果失敗就重試，直到成功為止
• 方案 2：本地線程分配緩沖(Thread Local Allocation Buffer，TLAB)：每個(gè)線程在堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存，每個(gè)線程擁有的這一小塊內(nèi)存就稱為 TLAB。哪個(gè)線程要分配內(nèi)存了，就在哪個(gè)線程的 TLAB 中進(jìn)行分配，這樣各個(gè)線程之間互不干擾。如果某個(gè)線程的 TLAB 用完了，那么虛擬機(jī)就需要為它分配新的 TLAB，這時(shí)才需要進(jìn)行同步鎖定。可以通過 -XX：+/-UseTLAB 參數(shù)來設(shè)定是否使用 TLAB。

初始化零值

內(nèi)存分配完成之后，JVM 會(huì)將分配到的內(nèi)存空間(當(dāng)然不包括對(duì)象頭啦)都初始化為零值，比如 boolean 字段都初始化為 false 啊，int 字段都初始化為 0 啊之類的

這步操作保證了對(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，使程序能訪問到這些字段的數(shù)據(jù)類型所對(duì)應(yīng)的零值。

如果使用了 TLAB 的話，初始化零值這項(xiàng)工作可以提前至 TLAB 分配時(shí)就順便進(jìn)行了

設(shè)置對(duì)象頭

上面我們說過，對(duì)象在內(nèi)存中的布局可以分為 3 塊區(qū)域：對(duì)象頭(Object Header)、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充

對(duì)齊填充并不是什么有意義的數(shù)據(jù)，實(shí)例數(shù)據(jù)我們?cè)谏弦徊讲僮髦羞M(jìn)行了初始化零值，那么對(duì)于剩下的對(duì)象頭中的信息來說，自然不必多說，也是要進(jìn)行一些賦值操作的：例如這個(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、對(duì)象的哈希碼、對(duì)象的 GC 分代年齡等信息。根據(jù)虛擬機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的不同，如是否啟用偏向鎖等，對(duì)象頭會(huì)有不同的設(shè)置方式。

執(zhí)行 init 方法

上面四個(gè)步驟都走完之后，從 JVM 的視角來看，其實(shí)一個(gè)新的對(duì)象已經(jīng)成功誕生了。

但是從我們程序員的視角來看，這個(gè)對(duì)象確實(shí)是創(chuàng)建出來了，但是還沒按照我們定義的構(gòu)造函數(shù)來進(jìn)行賦值呢，所有的字段都還是默認(rèn)的零值啊。

構(gòu)造函數(shù)即 Class 文件中的 () 方法，一般來說，new 指令之后會(huì)接著執(zhí)行 ()方法，按照構(gòu)造函數(shù)的意圖對(duì)這個(gè)對(duì)象進(jìn)行初始化，這樣一個(gè)真正可用的對(duì)象才算完全地被構(gòu)造出來了，皆大歡喜。

最后放上這道題的背誦版：

?? 面試官：講一下對(duì)象的創(chuàng)建過程

?? 小牛肉：new 一個(gè)對(duì)象在堆中的過程主要分為五個(gè)步驟：

1)類加載檢查：具體來說，當(dāng) Java 虛擬機(jī)遇到一條字節(jié)碼 new 指令時(shí)，它會(huì)首先檢查根據(jù) class 文件中的常量池表(Constant Pool Table)能否找到這個(gè)類對(duì)應(yīng)的符號(hào)引用，然后去方法區(qū)中的運(yùn)行時(shí)常量池中查找該符號(hào)引用所指向的類是否已被 JVM 加載、解析和初始化過

• 如果沒有，那就先執(zhí)行相應(yīng)的類加載過程
• 如果有，那么進(jìn)入下一步，為新生對(duì)象分配內(nèi)存

2)分配內(nèi)存：就是在堆中給劃分一塊內(nèi)存空間分配給這個(gè)新生對(duì)象用。具體的分配方式根據(jù)堆內(nèi)存是否規(guī)整有兩種方式：

• 堆內(nèi)存規(guī)整的話采用的分配方式就是指針碰撞：所有被使用過的內(nèi)存都被放在一邊，空閑的內(nèi)存被放在另一邊，中間放著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器，分配內(nèi)存就是把這個(gè)指針向空閑空間方向挪動(dòng)一段與對(duì)象大小相等的距離
• 堆內(nèi)存不規(guī)整的話采用的分配方式就是空閑列表：所謂內(nèi)存不規(guī)整就是已被使用的內(nèi)存和空閑的內(nèi)存相互交錯(cuò)在一起，那就沒有辦法簡單地進(jìn)行指針碰撞了，JVM 就必須維護(hù)一個(gè)列表，記錄哪些內(nèi)存塊是可用的，在分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的連續(xù)空間劃分給這個(gè)對(duì)象，并更新列表上的記錄，這就是空閑列表的方式

3)初始化零值：對(duì)象在內(nèi)存中的布局可以分為 3 塊區(qū)域：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充，對(duì)齊填充僅僅起占位作用，沒啥特殊意義，初始化零值這個(gè)操作就是初始化實(shí)例數(shù)據(jù)這個(gè)部分，比如 boolean 字段初始化為 false 之類的

4)設(shè)置對(duì)象頭：這個(gè)步驟就是設(shè)置對(duì)象頭中的一些信息

5)執(zhí)行 init 方法：最后就是執(zhí)行構(gòu)造函數(shù)，構(gòu)造函數(shù)即 Class 文件中的 ()方法，一般來說，new 指令之后會(huì)接著執(zhí)行() 方法，按照構(gòu)造函數(shù)的意圖對(duì)這個(gè)對(duì)象進(jìn)行初始化，這樣一個(gè)真正可用的對(duì)象才算完全地被構(gòu)造出來了