java 虚拟机学习笔记之二《对象的创建以及布局和访问》
以hotspot虚拟机和常用的Java堆为例，深入探讨hotspot虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程
1.对象的创建
Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层而上，创建对象(例如克隆、反序列化)通常仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象(文中讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和class对象等)的创建又是怎样一个过程呢?
虚拟机遇到一条new指令时，一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。
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。假设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，这种分配方式称为“指针碰撞”(B}xrtp the Pointer）。如果Java堆巾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，这种分配方式称为“空闲列表”(Free list选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整.又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，在使用serial、parnew等带compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep}算法的收集器时，通常采用空闲列表。
除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的间题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，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。解决这个问题有两种方案，一种是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:另一种是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，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，只有TLAB用完并分配薪的'TLAB时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过·XX:+/-UseTLAB.参数来没定。
内存分配完成后，虑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百分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在java码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访到这些字段的数据类型所对应的零值。
接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，诃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。根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。关于对象头的具休内容，稍后做详细介绍。
在上而工作都完成之后·从虚拟机的视角来看，..一个新的对象己经产生了，但从Java.程序的视图来看，对象创建才刚刚开始一init方法还没有执行，所有的字段都还为零。一般来说执行new指令之后会接着执行<init>方法，把对象按照程序员的意愿进往初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。
2.对象的内存布局
在hotspot虚拟机机中，对象在内存中的存储布局可以分为3块：对象头（Object Header）、实例数据（Instance Data）、对齐填充（Padding）。
hotspot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(末开启压缩指针)中分别为32bit和64bit。官方称它为Mark word。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32位、64位bitmap结构所能记录的限度，但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，mark word被设计成一个非固定的数据结构以使在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如，在32位的Hotspot虚拟机中。如果对象处未被锁定的状态下，那么mark word 的32bit 空间的25 bit用下存储对象哈希码，4 bit用于存储对象分代年龄，2 bit 存储锁标志位，1 bit 定为0。
对象头的另外一部分是类型指针，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。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针。换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象木身。如果对象是一个Java数组，在对象头中还必须有一块用来记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元兀数据中却无法确定数组的大小。
数据实例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。无论是从父类继承的还是在子类定义的，都需记录下来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义的顺序的影响。hotspot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles ,ints, shorts/charts, bytes/booleans, oops(Ordinary Object Pointers),从分配策略看出，相同宽度的字段总是被分配在一起。在这个前提下，父类中定义的变量会出现子类之前，如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类的变量空隙中。
对齐填充不是必然存在的，只是占位符而已，因为hotspot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的倍数，换句话说，对象大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数，因此对象实例数据部分没对齐的话，就需要对齐补全。
3.对象的访问
创建对象的目的是使用对象，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。由于reference类型在Java虚拟机规范中只定义了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
句柄方式：Java堆中划分出一块内存作为句柄池，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各自的具体地址信息，如下图：
直接指针：使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中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
两种访问方式各有优劣，用句柄访问最大好处是reference中存储的是稳定的句柄地址，对象被移动时候（垃圾收集时候移动对象是很普遍的行为）只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不要修改。
使用直接指针访问最大的好处是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中很频繁，因此这类开销积少成多 也是一项很客观的执行成本。hotspot采用的直接指针访问对象，从整个软件开发范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。
总结部分
一、虚拟机的对象的创建过程：
第一： 遇到new指令时候，先检查这个指令的参数在常量池能不能定位到一个类的符号引用，并检查这个类是否被加载、解析以及初始化，若没有则先进行类的加载。
第二：加载过后需要给新的对象分配内存，需要的内存大小在加载的时候已经确定。内存的分配有两种方法：指针碰撞和空闲列表，选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整.又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。
第三：初始化。虚拟机需要稚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，使得在Java代码中不需要赋值就可以访问到字段的0值
第四：对对象进行相关设置，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。
经过上面步骤的从虚拟机的视角来看，对象已经创建完成；从Java程序来看，对象创建才开始，init还没开始执行，所有的字段都为0。执行new后开始执行init按照程序员的想法来初始化数据，这样一个可用的对象才算创建出来。
二、对象的内存分布
对象在内存的存储分为三块：
1.对象头：对象头包含两部分：
第一：存储对象自身的运行时数据
第二：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。
2.实例数据： 是对象真正存储的有效信息，也就是在Java代码中定义的各种字段信息，包含继承父类的字段信息。
3.对齐填充：用来凑数的
三、对象的访问
1.使用句柄 ：在Java堆中划分一块内存作为句柄池，reference保存的是对象的句柄地址，句柄池中保存时实例数据和类型数据的地址信息
2.直接指针：reference里面保存对象的地址，二Java堆对象的布局就需要考虑如何放置访问类型数据的信息。
前者的优点是在对象被移动时候只需要改变句柄中的实例数据指针，不需要改变reference；后者的访问速度快，减少了一地指针定位时间。