前言

上篇文章介紹了Java虛擬機的運行時數(shù)據(jù)區(qū)域，大致明白了Java虛擬機內(nèi)存模型的概況，下面就基于實用優(yōu)先的原則，以最常用的虛擬機HotSpot和最常用的內(nèi)存區(qū)域Java堆為例，升入探討一下HotSpot虛擬機在Java堆中對象分配、布局和訪問的全過程。

對象的創(chuàng)建

Java是一門面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，在Java程序的運行過程中每時每刻都有對象被創(chuàng)建出來，那么在虛擬機中，對象的創(chuàng)建是怎樣的一個過程呢？
當(dāng)Java虛擬機遇到一條字節(jié)碼new指令時，首先檢查這個指令的參數(shù)是否能定位到一個類的符號引用，然后檢查這個類是否已經(jīng)被加載、解析和初始化過。如果沒有，那么先執(zhí)行類型的加載過程。

為對象分配空間

在類加載檢查通過后，接下來虛擬機將為新生對象分配內(nèi)存。為對象分配空間的任務(wù)實際上便等同于把一塊確定大小的內(nèi)存塊兒從Java堆中劃分出來。
在解釋Java堆是如何為對象分配空間的時候，先解釋兩個虛擬機常用的分配空間方式。

• 指針碰撞
  當(dāng)一塊兒內(nèi)存中的空間是絕對規(guī)整的時候，就是說，所有被使用過的內(nèi)存放在一邊，空閑的內(nèi)存放在另一邊，中間放著一個指針，作為分界點的指示器，當(dāng)分配內(nèi)存是，就僅僅是把指針向空閑的方向挪動一段與對象大小相等的距離，這種分配方式稱為“指針碰撞”（Bump The Pointer）。
• 空閑列表
  當(dāng)一塊兒內(nèi)存的空間不是規(guī)整的時候，已被使用的內(nèi)存和空閑的內(nèi)存相互交錯在一起，那就沒辦法簡單地進(jìn)行指針碰撞了，虛擬機就必須維護(hù)一個列表，記錄哪些內(nèi)存塊是可用的，在分配的時候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對象實例，并更新列表上的記錄，這種分配方式稱為“空閑列表”（Free List）。
  具體選擇哪種分配方式，是由Java堆中的內(nèi)存空間是否規(guī)則來決定的，而Java堆是否規(guī)整有由所采用的垃圾收集器是否帶有空間壓縮整理的能力決定。所以，當(dāng)使用Serial、ParNew等帶壓縮整理過的的收集器是，對象的分配方式是指針碰撞，而當(dāng)使用CMS這種基于清除算法的收集器是，理論上就只能采用較為復(fù)雜的空閑列表來分配內(nèi)存。

對象創(chuàng)建的線程安全

在對象創(chuàng)建的時候，除了如何劃分可用空間外，還有一個問題，那就是在分配內(nèi)存空間的時候如何保證線程安全。
解決這個問題有兩種方案：

• 一種是對分配內(nèi)存空間的動作進(jìn)行同步處理——實際上虛擬機是采用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性；
• 另外一種是把內(nèi)存分配的動作按照線程劃分在不同的空間之中進(jìn)行，即每個線程在Java堆中預(yù)先分配一小塊內(nèi)存，稱為本地線程分配緩沖（Thread Local Allcation Buffer，TLAB），哪個線程要分配內(nèi)存，就在哪個線程的本地緩沖區(qū)中分配，只有本地緩沖區(qū)用完了，分配新的緩沖區(qū)時，才需要同步鎖定。

在保證了線程安全的為對象分配了內(nèi)存空間后，從虛擬機的視角來看，一個新的對象已經(jīng)產(chǎn)生了。
但是從Java程序的視角看來，對象創(chuàng)建才剛剛開始，構(gòu)造函數(shù)，也就是Class文件中的< init >方法還沒有執(zhí)行，new 指令之后會執(zhí)行< init >方法，
按照程序員的意愿對對象進(jìn)行初始化，這樣一個真正可用的對象才算完全被構(gòu)造出來。

對象的內(nèi)存布局

在HotSpot虛擬機里，對象在堆內(nèi)存中的存儲布局可以劃分為三個部分：對象頭（Header）、實例數(shù)據(jù)（Insetance Data） 和對齊填充（Padding）。

對象頭

HotSpot虛擬機對象的對象頭包括兩類信息。

• 第一類是用于存儲對象自身運行時數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志等。這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長度在32位和64位的虛擬機中分別為32個比特和64個比特，稱為 “ Mark Word ” 。
• 對象頭的另外一部分是類型指針，即對象指向它的類型元數(shù)據(jù)的指針，Java虛擬機通過這個指針來確定該對象是哪個類的實例。如果對象是一個Java數(shù)組，那在對象頭中還必須有一塊用于記錄數(shù)組長度的數(shù)據(jù)，因為需要通過數(shù)組的長度來確定對象的大小。

實例數(shù)據(jù)

實例數(shù)據(jù)是對象真正存儲的有效信息，即我們在程序代碼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。這部分的存儲順序會受到虛擬機分配策略參數(shù)（-XX:FieldsAllocationStyle參數(shù)）和字段在Java源碼中定義順序的影響。

對齊填充

由于HotSpot虛擬機的自動內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，換句話說就是任何對象的大小都必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。對象頭部分已經(jīng)被精心設(shè)計成正好是8字節(jié)的倍數(shù)（1倍或2倍），因此如果對象實例數(shù)據(jù)部分沒喲對齊的話就需要通過對齊填充來補全。所以對齊填充為，并不是必然存在的一部分占位符。

對象的訪問定位

對象創(chuàng)建完成后就可以使用了，對象的定位是根據(jù)棧中的引用數(shù)據(jù)，來確定對象在內(nèi)存中的位置的。那么如何通過引用數(shù)據(jù)定位到堆中的對象位置呢？
主流的訪問方式主要有使用句柄和直接指針兩種：

• 如果使用句柄訪問的話，Java堆中將可能會劃分出一塊內(nèi)存來作為句柄池，引用數(shù)據(jù)中存儲的就是對象的句柄地址，而句柄中包含了對象實例數(shù)據(jù)與類型數(shù)據(jù)各自具體的地址信息。
• 如果使用直接指針訪問的話，Java堆中對象的內(nèi)存布局就必須考慮如何放置訪問類型數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，引用數(shù)據(jù)中存儲的直接就是對象地址，這樣訪問對象更快捷。

使用句柄，在對象被移動（垃圾收集時）時只會改變句柄中的數(shù)據(jù)指針，而直接指針節(jié)省了一次指針定位的時間開銷速度更快！