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作者：李瑞杰

目前就職于阿里巴巴，資深 JVM 研究人員

在 Java 程序中，我們擁有多種新建對象的方式。除了最為常見的 new 語句之外，我們還可以通過反射機制、Object.clone 方法、反序列化以及 Unsafe.allocateInstance 方法來新建對象。

其中，Object.clone 方法和反序列化通過直接復制已有的數據，來初始化新建對象的實例字段。

Unsafe.allocateInstance 方法則沒有初始化實例字段，而 new 語句和反射機制，則是通過調用構造器來初始化實例字段。????? ?

?我們先來考察new語句，準備一個類，如下圖所示

????????????? ??

讓我們編譯他的字節碼：

????? ??

可以看到，new語句編譯而成的字節碼將包含用來請求內存的 new 指令，以及用來調用構造器的 invokespecial 指令。????? ??

本文不是專門介紹invoke系列指令的，我會在后面的文章中介紹invoke系列指令。

不過在這里我多說一嘴，字節碼中的invokespecial指令通常用于調用私有實例方法、構造器，以及使用super關鍵字調用父類的實例方法或構造器，和所實現接口的默認方法。

提到構造器，就不得不提到 Java 對構造器的諸多約束。首先，如果一個類沒有定義任何構造器的話， Java 編譯器會自動添加一個無參數的構造器。????? ??

我們剛才的TestNew類，他的字節碼編譯出來后，有下面的片段。

????? ??

在JAVA源碼中，我們沒有定義構造器，但是生成出來的字節碼，已經自動幫我們添加了一個無參數的構造器。他使用的invokespecial方法最終調用的是其父類Object類的構造器方法。? ? ? ??

我將講述JVM的構造器調用原則，那就是，如果子類的構造器需要調用父類的構造器。如果父類存在無參數構造器的話，該調用可以是隱式的。也就是說， Java 編譯器會自動添加對父類構造器的調用。

但是，如果父類沒有無參數構造器，那么子類的構造器則需要顯式地調用父類帶參數的構造器。

顯式調用有兩種，一是直接使用“super”關鍵字調用父類構造器，二是使用“this”關鍵字調用同一個類中的其他構造器。

無論是直接的顯式調用，還是間接的顯式調用，都需要作為構造器的第一條語句，以便優先初始化繼承而來的父類字段。

可以不優先初始化繼承來的父類字段嗎？可以，如果你能使用字節碼注入工具的話。

當我們調用一個構造器時，它將優先調用父類的構造器，直至 Object 類。這些構造器的調用者皆為同一對象，也就是通過 new 指令新建而來的對象。? ? ? ??

事實上，我上面的陳述意味著：通過 new 指令新建出來的對象，它的內存其實涵蓋了所有父類中的實例字段。

也就是說，雖然子類無法訪問父類的私有實例字段，或者子類的實例字段隱藏了父類的同名實例字段，但是子類的實例還是會為這些父類實例字段分配內存的。????? ??

下面我將介紹壓縮指針技術。在 Java 虛擬機中，每個 Java 對象都有一個對象頭，它由標記字段和類型指針所構成。

標記字段用以存儲 Java 虛擬機有關該對象的運行數據，如哈希碼、GC 信息以及鎖信息，而類型指針則指向該對象的類。????????

在64位的JVM中，對象頭的標記字段占 64 位，而類型指針又占了 64 位。也就是說，每一個 Java 對象在內存中的額外開銷就是 16 個字節。????????

為了盡量較少對象的內存使用量，64位JVM引入了壓縮指針的概念，將堆中原本64位的Java對象指針壓縮成32位的。????????

這樣一來，對象頭中的類型指針也會被壓縮成32位，使得對象頭的大小從16字節降至12字節。

當然，壓縮指針不僅可以作用于對象頭的類型指針，還可以作用于引用類型的字段，以及引用類型數組。????? ??

它的原理是什么？答案是內存對齊。

我們規定，默認情況下，JVM堆中對象的起始地址需要對齊至8的倍數，如果一個對象用不到8N 個字節，那么空白的那部分空間就浪費掉了，這些浪費掉的空間我們稱之為對象間的填充。

大家知道，指針里面存放的是地址，由于堆中對象的起始地址是對齊至8的倍數，所以指針存放一個引用(或者對象的類)的內存地址時，根本就不用存放最后的三位二進制數。

因為所有對象或類的內存地址都對齊了8，所以他們的內存地址的最低三位總是0，32位的指針就可以尋址到 2 的 35 次方個字節，也就是 32GB 的地址空間(超過 32GB 則會關閉壓縮指針)。

我們可以通過配置虛擬機的內存對齊選項來進一步提升尋址范圍。但是，這同時也可能增加對象間填充，導致壓縮指針沒有達到原本節省空間的效果。????????

就算是關閉了壓縮指針，Java 虛擬機還是會進行內存對齊。此外，內存對齊不僅存在于對象與對象之間，也存在于對象中的字段之間。

比如說，Java 虛擬機要求long字段、double字段，以及非壓縮指針狀態下的引用字段地址為8的倍數。????? ??

這是為什么呢？

CPU的緩存行機制大家應該有所耳聞，如果字段不是對齊的，那么就有可能出現跨緩存行的字段。

該字段的讀取可能需要替換兩個緩存行，而該字段的存儲也會同時污染兩個緩存行。

我們將在后期文章關于volatile關鍵詞的本質分析的過程中，再次考察到CPU緩存行的相關機制。????? ??

最后我要提一句的是，字段重排列技術，就是我剛才提到的，對象的字段之間存在的內存對齊。這指的是重新分配字段的先后順序，以達到內存對齊的目的

它有以下兩個規則：? ? ??

其一，如果一個字段占據C個字節，那么該字段的偏移量需要對齊至NC。這里的偏移量指的是字段地址與對象的起始地址差值。????????

以Long類為例，它僅有一個long類型的實例字段。在使用了壓縮指針的 64 位虛擬機中，盡管對象頭的大小為12個字節，該 long 類型字段的偏移量也只能是16，而中間空著的4個字節便會被浪費掉。????????

其二，子類所繼承字段的偏移量，需要與父類對應字段的偏移量保持一致。

說白了，比如B繼承了A，A是B的父類，A中所有的字段，在B中都有，而且是先放A的字段，再放B的字段。而且B類對象放A類字段時，需要與父類對應字段的偏移量保持一致。

接下來我說一個拓展內容吧，什么是虛共享？

假設兩個線程分別訪問同一對象中不同的 volatile 字段，邏輯上它們并沒有共享內容，因此不需要同步。

如果這兩個字段恰好在同一個緩存行中，那么對這些字段的寫操作會導致緩存行的寫回，也就造成了實質上的共享。

Java8還引入了一個新的注釋@Contended，用來解決對象字段之間的虛共享。

Java 虛擬機會讓不同的@Contended字段處于獨立的緩存行中，因此你會看到大量的空間被浪費掉，避免無謂的緩存行同步操作。

具體的算法屬于實現細節了，大家有興趣可以去用：

-XX:-RestrictContended

這個虛擬機選項，查看Contended字段的內存布局。

END

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的64位java_99.9%的Java程序员都说不清的问题：JVM中的对象内存布局？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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