JVM对象创建流程深入剖析

我们使用JVM主要调优都是和JVM堆相关的，故需要对堆中相关的内存分配机制相关深入了解。堆中主要存的都是Java对象，所以我们需要了解下JVM的对象创建流程。

JVM对象创建流程

整体流程

下面我将通过一个具体的示例来演示下对象创建流程

示例类

public class User {
    
    // 静态变量
    private static int a = 3;
    
    // 成员变量
    private int b;

    //静态初始化代码块
    static {
        a = 4;
    }
 
    public User() {
        b = 4;
    }

    //对象初始化代码块
    {
        b = 5;
    }


    public static void main(String[] args) {
        User user = new User();
    }

}

类加载检查

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在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被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

装载

User.class经过加载后，会把类的相关信息加载到JVM内存中，解析出类的描述信息会保存到Metaspace，同时这里会生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为这个类的各种数据的访问入口。

连接

连接阶段会对静态变量的值进行默认赋值，此时User类的a 赋值为0；

初始化

执行()方法，会按照静态代码编写的顺序对变量赋值。（所以a先赋值3，然后在赋值4）

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。

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）。

这个步骤有两个问题：

如何划分内存。
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。

划分内存方法

指针碰撞（Bump the Pointer）(默认用指针碰撞)

如果Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。

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。

解决并发问题方法

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:TLABSize 指定TLAB大小。

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。

初使化零值

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。

设置对象头

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。

执行方法

执行方法，即对象按照程序员的意愿进行初始化。初始化成员变量值，同时执行搜集到的 {} 代码块逻辑，最后执行对象构造方法。（所以b变量先赋值5，在赋值4）

对象实例化完毕后，再把栈中的User对象引用地址指向User对象在堆内存中的地址。

JVM对象内存布局

对象创建完成后在内存中保存了保存的信息包括对象头、实例数据及对齐填充三类信息。

对象头：

jvm对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储的信息，由于它存在于对象中，jvm规范中安装对象类型，分两种类型：

普通对象包含：Mark Word、元数据指针（Klass Pointer）
数组对象包含：Mark Word、元数据指针（Klass Pointer）、Array Length

标志位（MarkWord）

主要包括几类信息，分别是锁状态标志、持有锁的线程ID、GC分代年龄、对象HashCode，里并没有对对象头里的每个信息都列出而是进行大致的分类，下面是对其中几类信息进行说明。（32位系统占用4个字节，64位系统占用8个字节）

锁状态标志：:对象的加锁状态分为无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁几种标记。
持有锁的线程：持有当前对象锁定的线程ID。
GC分代年龄：对象每经过一次GC还存活下来了，GC年龄就加1。

32位MarkWord

64位MarkWord

元数据指针（Klass Pointer）

可通过对象找到类元信息，用于定位对象类型。（32位系统占用4个字节，64位系统占用8个字节，64位系统开启指针压缩后占用4个字节）

数组长度（Array Length）

当对象是数组类型的时候会记录数组的长度。（占用4个字节）

实例数据

对象实例数据才是对象的自身真正的数据，主要包括自身的成员变量信息，同时还包括实现的接口、父类的成员变量信息。

对齐填充

根据JVM规范对象申请的内存地址必须是8的倍数，换句话说对象在申请内存大小时候8字节的倍数，如果对象自身的信息大小没有达到申请的内存大小，那么这部分是对剩余部分进行填充。

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。

对象大小与指针压缩

查看对象大小

对象大小可以用jol-core包查看，引入依赖


  org.openjdk.jol
  jol-core
  0.10

代码

package com.demo;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class ObjectHeaderTest {

    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 C());
        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
    // Oops : Ordinary Object Pointers
    public static class C {
        //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)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     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)
     12     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     16     0    int [I.                             N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total


com.demo.ObjectHeaderTest$C object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           66 e0 00 f8 (01100110 11100000 00000000 11111000) (-134160282)
     12     4                int C.id                                      0
     16     1               byte C.b                                       0
     17     3                    (alignment/padding gap)                  
     20     4   java.lang.String C.name                                    null
     24     4   java.lang.Object C.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

结果说明

因为我的系统是64位，所以markWord 4个字节，开启klass pointor 4个字节，对齐填充4个字节，所以一起总共8+4+4 = 16个字节。

8（markWord）+ 4（klass pointor）+ 4（数组长度） = 16 个字节

8（markWord）+ 4（klass pointor）+ 4（int） + 1（byte） + 3（byte内部对齐） + 4（String） + 4（Object） + 4（对齐填充） = 32个字节

指针压缩

什么是java对象的指针压缩？

jdk1.6 update14开始，在64bit操作系统中，JVM支持指针压缩
jvm配置参数：UseCompressedOops，compressed--压缩、oop(ordinary object pointer)--对象指针
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？

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，为了减少64位平台下内存的消耗，启用指针压缩功能
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)
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
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

指针压缩测试

JVM是默认开启指针压缩的，所以我们去掉指针压缩测试。启动加入-XX:-UseCompressedClassPointers 去掉Klass pointor 指针压缩运行，结果如下：

java.lang.Object 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)                           00 1c 69 78 (00000000 00011100 01101001 01111000) (2020154368)
     12     4        (object header)                           1e 02 00 00 (00011110 00000010 00000000 00000000) (542)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 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)                           68 0b 69 78 (01101000 00001011 01101001 01111000) (2020150120)
     12     4        (object header)                           1e 02 00 00 (00011110 00000010 00000000 00000000) (542)
     16     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     20     4        (alignment/padding gap)                  
     24     0    int [I.                             N/A
Instance size: 24 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total


com.demo.ObjectHeaderTest$C object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4                    (object header)                           f8 89 37 01 (11111000 10001001 00110111 00000001) (20417016)
     12     4                    (object header)                           1e 02 00 00 (00011110 00000010 00000000 00000000) (542)
     16     4                int C.id                                      0
     20     1               byte C.b                                       0
     21     3                    (alignment/padding gap)                  
     24     4   java.lang.String C.name                                    null
     28     4   java.lang.Object C.o                                       null
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 0 bytes external = 3 bytes total

结果说明：

启动加入-XX:-UseCompressedOops 关闭压缩所有指针结果如下：

java.lang.Object 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)                           00 1c 57 12 (00000000 00011100 01010111 00010010) (307698688)
     12     4        (object header)                           58 02 00 00 (01011000 00000010 00000000 00000000) (600)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 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)                           68 0b 57 12 (01101000 00001011 01010111 00010010) (307694440)
     12     4        (object header)                           58 02 00 00 (01011000 00000010 00000000 00000000) (600)
     16     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     20     4        (alignment/padding gap)                  
     24     0    int [I.                             N/A
Instance size: 24 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total


com.demo.ObjectHeaderTest$C object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4                    (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
      4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
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     20     1               byte C.b                                       0
     21     3                    (alignment/padding gap)                  
     24     8   java.lang.String C.name                                    null
     32     8   java.lang.Object C.o                                       null
Instance size: 40 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 0 bytes external = 3 bytes total

结果说明：

作者：一只小闪闪
链接：https://juejin.cn/post/7276257954297757748
来源：稀土掘金

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页面更新：2024-03-20

标签：对象赋值初始化指针变量字节分配流程内存数据信息

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