认识Java对象，内存布局，new对象的过程

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2023年09月24日 18:43 · 阅读数 21

认识Java对象

先了解一下对象的组成

对象的组成

认识Java对象，内存布局，new对象的过程可以看到，一个对象由：对象头，实例数据，对齐填充组成。

1、对象头

markword

锁状态	29 bit 或 61 bit	1 bit 是否是偏向锁？	2 bit 锁标志位
无锁	31bit的Hashcode	0	01
偏向锁	线程ID	1	01
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针	此时这一位不用于标识偏向锁	00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针	此时这一位不用于标识偏向锁	10
GC标记		此时这一位不用于标识偏向锁	11

Class指针

4字节的指针（指向类元信息地址，class），用于访问Class对象。

默认开启指针压缩，所以是4字节，关闭的话为8字节。

数组的length

这个好理解，数组的.length就是拿到这个信息

这里length四个字节，也解释了一个数组的最大长度，是max_int。

2、实例数据

就是类自己的类似private String name = "123"这样的信息。

像父类的private的属性，也是有的，但访问不了。

3、对齐填充

对齐填充使得对象实例的字节数是8的倍数。

64位JVM的寻址空间更大，但是会带来性能的损耗；大多数计算机都是高效的64位处理器，顾名思义，一次能处理64位的指令，即8个字节的数据，HotSpot VM的自动内存管理系统也就遵循了这个要求，这样子性能更高，处理更快。

因此，new一个对象，实际就是要处理上述三大部分。一般有：

markword
Class对象
实例数据

new对象的过程

一、检查是否类加载

检查常量池中是否能定位到这个类的「符号引用」。

二、为实例分配内存

首先因为堆全局唯一，因此需要保证线程安全：

方案是：CAS+TLAB

TLAB：Thread Local Allocation Buffer。就是在Eden区直接划分一块给某个线程私有。后续的new对象都在这块私有区域分配。

划分区域也会线程不安全，也需要CAS或锁，但是一种锁粗化的原理，比单单分配一个对象效率要高得多。

在TLAB不够时，采用CAS的方式分配内存。

CAS：compare and swap，保证线程安全

然后开始具体地分配内存

对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，具体如何分配有两种方式：

没有内存碎片：指针碰撞

用过的内存全部整合到一边，没有用过的内存放在另一边，中间有一个分界指针，只需要向着没用过的内存方向将该指针移动对象内存大小位置

有内存碎片：空闲列表

虚拟机会维护一个列表，该列表中会记录哪些内存块是可用的，在分配的时候，找一块儿足够大的内存块儿来划分给对象实例，最后更新列表记录。

有没有内存碎片取决于GC算法，清除有内存碎片，复制，整理没有内存碎片

三、初始化实例变量

将方法区内对实例变量的定义拷贝一份到堆区，然后赋默认值（一般是0）。

四、设置对象头

即初始化mark word，class指针等信息

对象头是下图绿色的部分

五、初始化

先初始化父类再初始化子类。

初始化时先执行实例代码块然后是构造方法。

这样一个真正可用的对象才算完全产生出来

开发视角：代码块/构造方法/声明调用顺序

我们现在已经学了Class对象的加载，实例对象的加载，这里来梳理一下，父子类的静态（非静态）代码块，构造方法，静态（非静态）字段的调用顺序

Class加载完全早于实例对象的加载，因此：

父类的：静态变量声明，静态代码块
子类的：静态变量声明，静态代码块

这里的1~2是类加载的（5）初始化阶段

父类的：实例变量声明，普通语句块
父类的：构造函数
子类的：实例变量声明，普通语句块
子类的：构造函数

这里的3~6是new对象实例的（5）初始化阶段

没有被声明，代码块，构造函数指定的变量就是默认值（一般为零值）

对于静态的字段由类加载步骤（3）准备阶段保证

对于普通的字段由new对象步骤（3）初始化实例变量阶段保证

声明语句和代码块哪个先执行

为什么把声明和代码块放在同一行内？它们之间的顺序如何？

实际上，这取决于代码的位置。

我们知道在初始化之前，无论是静态字段，还是普通字段，都会为它们分配空间并赋予默认值，一般为零值。

因此：

public static int a = 1;

像这样的语句，「为a分配空间」与「声明a的值」，并不会被一起执行。

完全可以这样写：

static {  a = 2; }
public static int a = 1;

此时访问a为1

交换这两行代码的位置：

public static int a = 1;
static {  a = 2; }

此时访问a为2

普通字段完全一样，多个代码块也是这样

因此，变量声明与代码块的执行顺序取决于代码的位置顺序

对象如何被访问

句柄

在堆中划分一块区域作为句柄池，指针指向句柄，句柄指向堆内存空间

直接指针

直接指针就是指向堆内存空间的指针

对比

直接指针显然访问速度更快。句柄的好处是对象被移动时（比如GC），只改变句柄中实例数据指针，reference本身不用改变。

HotSpot VM采用直接指针

引用类型

直接指针提供的功能太少，因此JDK1.2之后Java提供了四个级别的引用，以下按引用强度排序：

强引用（StrongReference）

最普遍的引用，垃圾回收器绝不会回收它，宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止。

new出来的对象的引用都是强引用。像下面这行代码，obj就是个强引用，存储在栈帧的局部变量表中。

Object obj = new Object();

执行 obj=null;后，这个obj原本指向的Object实例才可能被GC

软引用（SoftReference）

如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。可有可无。可用来实现内存敏感的高速缓存。

弱引用（WeakReference）

值得被回收。一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。

ThreadLocal的key是弱引用

虚引用（PhantomReference）

虚引用：主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。虚引用不会决定GC机制对一个对象的回收权。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。

在程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用，使用软引用的情况较多，这是因为软引用可以加速 JVM 对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运行安全，防止内存溢出（OutOfMemory）等问题的产生。

查看Java对象的内存布局

JDK自带

System.setProperty("java.vm.name","Java HotSpot(TM) ");
System.out.println(ObjectSizeCalculator.getObjectSize(3L));

jol工具

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.16</version>
</dependency>

// 基本使用
Object o = new Object();
// 实例信息
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
// class类信息
System.out.println(ClassLayout.parseClass(String.class).toPrintable());

Instrumentation

获取Instrumentation对象，先引入依赖项

<dependency>
    <groupId>net.bytebuddy</groupId>
    <artifactId>byte-buddy-agent</artifactId>
    <version>1.12.10</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>net.bytebuddy</groupId>
    <artifactId>byte-buddy</artifactId>
    <version>1.12.10</version>
</dependency>

import net.bytebuddy.agent.ByteBuddyAgent;
import java.lang.instrument.Instrumentation;
	ByteBuddyAgent.install();
	final Instrumentation instrumentation = ByteBuddyAgent.getInstrumentation();
    inst.getObjectSize(obj);

最后来看看Object类，它是Java所有类的父类。

浅析Object类

Object有哪些方法

hashcode，equals，toString，wait，notify，clone

为什么wait/notify在Object内而不是Thread

因为等待/通知机制设计是为了解决线程间通信的。

线程通信是否可执行，是由资源决定的，而非线程。

一个线程使用完毕某个资源，别的线程才能使用。

线程知道自己是因为要获取哪个资源而被阻塞，关注的是资源，而不在乎是因为谁（具体哪个线程）。

输出一个没有重写toString方法的对象会发生什么

输出Person类得到 Person@3c1

输出数组得到 [I@4554617c

输出new Object的对象得到 java.lang.Object@4554617c

一个类没有重写toString方法，也会有这个方法

因为Object类下已经做了实现

public String toString() {
    return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
}

也就是会输出 类名 + @ + hashcode的值（hashcode16进制）

new 一个Object多少字节

这跟硬件是有关系的。还有是否开启指针压缩等。所以没有确切的答案。但可以肯定的是：一定会是8的倍数。开启指针压缩的情况下，为16字节。8字节mark word，4字节指针，以及对齐填充。另外要区分堆与栈。在栈上也会生成一个4字节的指针。

小结一下：new 一个Object，在本地栈生成一个4字节的指针，指向一块堆内存区域。这块堆内存区域存储了markword，实例数据，和一个指针指向方法区class对象（或者用句柄实现，但sunhotspot是指针实现），以及对齐填充

参考文档

Java内存区域详解（重点）