对象

对象的创建（不包括数组和Class对象）

　　虚拟机遇到一条new指令时，首相检查这个指令的参数是否能再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。

　　类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的大小再类加载完成后便可完全确定（如何确定参见下一小节）。为对象分配内存的任务等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。有两种情况：1.Java堆中内存时绝对规整的，所有使用中的内存在一边，空闲内存在另一边，中间有一个指针作为分界点的指示器，则分配内存就是将指针向空闲内存一边挪动与对象大小相等的距离，这种分配方法成为“指针碰撞（Bump the Pointer）”。2.Java堆中内存并不是规整的，使用中和空闲的内存相互交错，这时虚拟机必须维护一个用于记录那些内存快可用的列表，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，并更新列表上的记录，这种方法称为“空闲列表（Free List）”。选择哪种分配方法取决于内存是否规整，内存是否规整又取决于垃圾收集器是否带有压缩整理功能。

　　另一个需要考虑的问题是上述的内存分配过程并不是线程安全的，有两种方法解决这个问题：1.对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。2.把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer， TLAB）。哪个线程要分配内存就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。是否使用TLAB可以通过－XX:+/-UseTLAB 参数来设定。

　　内存分配完成后，虚拟机需要将分配的内存空间都初始化为零值，如果使用TLAB，该过程也可以提前到TLAB分配时进行。

　　接下来，虚拟机要对对象进行必要到设置，例如这个对象时哪个类的实例、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）中。

　　最后，执行<init>方法，按程序员意愿对对象进行初始化，产生一个真正可用的对象。

　　下面时HotSpot虚拟机bytecodeInterpreter.cpp中的代码片段：

 1     // 确保常量池中存放的是已解释的类
 2     if (!constants->tag_at(index).is_unresolved_klass())  {
 3         //断言确定klassOop和instanceKlassOop
 4         oop entry = (klassOop) *constants->obj_at_addr(index);
 5         assert(entry->is_klass(), "Should be resolved klass");
 6         klassOop k_entry = (klassOop) entry;
 7         assert(k_entry->klass_part()->oop_is_instance(), "Should be instanceKlass");
 8         instanceKlass* ik = (instanceKlass*) k_entry->klass_part();
 9         // 确保对象所属类型已经经过初始化阶段
10         if (ik->is_initialized() && ik->can_be_fastpath_allocated()) {
11             // 取对象长度
12             size_t obj_size = ik->size_helper();
13             oop result = NULL;
14             bool need_zero = !zeroTLAB;
15             if (UserTLAB) {
16                 result = (oop) THREAD->tlab().allocate(obj_size);
17             }
18             if (result == NULL) {
19                 need_zero = true;
20                 // 直接在eden中分配对象
21         retry:
22                 HeapWord* compare_to = *Universe::heap()->top_addr();
23                 HeapWord* new_top = compare_to + obj_size;
24                 // cmpxchg 是x86中的CAS指令，这里是一个c++方法，通过CAS方式分配空间
25                 // 如果并发失败，转到retry中重试，知道成功分配为止
26                 if (new_top <= *Universe::heap()->end_addr()) {
27                     if (Atomic::cmpxchg_ptr(new_top, Universe::heap()->top_addr(), compare_to) != compare_to) {
28                         goto retry;
29                     }
30                     result = (oop) compare_to;
31                 }
32             }
33             if (result != NULL) {
34                 // 如果需要，则为对象初始化零值
35                 if (need_zero) {
36                     HeapWord* to_zero = (HeapWord*) result + sizeof(oopDesc) / oopSize;
37                     obj_size -= sizeof(oopDesc) / oopSize;
38                     if (obj_size > 0) {
39                         memset(to_zero, 0, obj_size * HeapWordSize);
40                     }
41                 }
42                 // 根据是否启用偏向锁来设置对象头信息
43                 if (UseBiasedLocking) {
44                     result->set_mark(ik->prototype_header();
45                 } else {
46                     result->set_mark(markOopDesc::prototype());
47                 }
48                 result->set_klass_gap(0);
49                 result->set_klass(k_entry);
50                 // 将对象引用入栈，继续执行下一条指令
51                 SET_STACK_OBJECT(result, 0);
52                 UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(3, 1);
53             }
54         }
55     }

对象的内存布局

　　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）。

　　对象头包括两部分：

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，这部分数据长度在32位和64位虚拟机中分别为32bit和64bit，称为“Mark Word”。需要存储的运行时数据超过32位或64位Bitmap结果所能记录的限度，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多信息，它会根据对象的状态服用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机中对象未被锁定的状态下，Mark Word的32个bits空间中的25bits用于存储对象哈希码（HashCode），bits用于存储对象分代年龄，2bits用于存储锁标志位，bit固定为0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容如下表所示。

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	膨胀（重量级锁定）
空，不需要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

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。

　　实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。包括父类继承的和子类定义的都需要记录下来。这部分存储顺序会受虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），那子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

　　对齐填充并不是必然存在，没有特别含义，仅仅起占位符的作用。对象的大小必须是8字节的整数倍。

对象的访问定位

　　我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象，目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种：

使用句柄访问，Java堆中会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据的具体各自的地址信息，如下图
直接指针访问，Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如下图

　　使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问的在Java中非常频繁，因此这类开销积小成多也是一项非常可观的执行成本。