在大概了解了Java虛擬機中內存的大致分布后，接下來就應該了解虛擬機是如何在內存中管理對象的，畢竟Java是一門面向對象的語言，在Java程序的運行過程中會不斷有對象創建出來。為了方便，這里僅僅以HotSpot虛擬機和Java堆內存為例，介紹下HotSpot虛擬機在Java堆中對象分配、布局和訪問的過程。

1、對象的創建

在Java語言中，我們可以使用new關鍵字創建一個對象（這里僅僅討論普通的Java對象，不包括數組和Class對象等），在虛擬機中，創建對象的過程比我們想象的要復雜一些。

在虛擬機創建對象之前會加載類，這部分也比較重要，這里先略過這部分，假設要創建的對象已經加載成功。我們從虛擬機的角度來考慮，如果要創建一個對象，要考慮這幾個問題：

• 創建對象就要內存，在哪里分配內存？
• 有了可以分配內存的地方，然后內存如何分配呢？
• 實際中對象創建非常頻繁，如何保證分配內存時的線程安全？
• 分配完內存后如何設置內存要存儲的內容？

首先，Java堆是線程共享的，大多數對象都會在這里創建，所以虛擬機也會在這里創建對象。但是Java堆是一塊內存區域，在從這塊內存中分出一塊可用的空間來創建對象時有兩種分配方式：指針碰撞和空閑列表。這兩種分配方式基于堆內存是否是規整的來選擇的。如果Java堆中的內存絕對規整，所有用過的內存在一邊，所有沒用過的內存在一邊，那么就可以維護一個作為中間分界線的指針，需要分配內存時，只需要將分界線向空閑方向移動相應的距離即可。

如果Java堆中的內存不是規整的，已經使用的內存和沒有使用的內存相互交錯，那么就需要虛擬機維護一個未被使用的空間的列表，即空閑列表，這里記錄哪些內存是可用的，分配的時候找出一塊夠用的空間進行佩芬，并在分配后更新這個列表。

那么如何選擇這兩種方式呢？看起來是由Java堆是否規整決定，但Java堆是否規整又是由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定的。這就涉及到了Java垃圾回收機制，這里不過多介紹。

雖然Java中沒有指針，但是虛擬機在內存中還是會使用指針的。就是說，分配一塊內存后，用一個指針表示這塊內存。這樣，如果當多個線程同時創建對象時，可能會出現這樣的問題：正在給對象A分配內存，指針還沒來得及修改，對象B又同時使用了原來的指針來分配內存。

對于這個問題，有兩個解決方法。實際上虛擬機采用CAS加上失敗重試的方式保證更新操作的原子性；另一種是使用本地線程分配緩沖（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。TLAB是每個線程在Java堆中預先分配的一小塊內存，哪個線程要分配內存，就在那個線程的TLAB上分配，只有TLAB上不夠并分配新的TLAB時才需要同步。

內存分配后，虛擬機將分配的內存空間都初始化為零值（不包括對象頭，對象頭在后面介紹）。如果使用TLAB，那這個工作就在TLAB分配時進行。這樣就保證了對象的實例字段在Java代碼中可以不賦初值就直接使用，程序能訪問到這些字段的數據類型對應的零值。

之后，虛擬機要對對象進行必要的設置，比如這個對象是哪個類的實例、如何才能找到類的元數據、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡等信息。這些信息存放在對象頭中。

這是，在虛擬機看來，一個新的對象就創建完成了，不過，對象還沒有初始化，所有的實例字段還都是零值，即對于Java程序來說，對象的創建才剛開始。然后執行對象的構造函數，將對象按照類的構造函數所期望的進行初始化，這樣，一個對象就創建完了。

2、對象的內存布局

上面介紹了對象是如何創建的，那么分配的那塊內存到底存了什么呢？

在HotSpot虛擬機中，對象在內存中存儲的布局可以分為3塊：對象頭（Header）、實例數據（Instance Data）和對齊數據（Padding）。

對象頭包含兩部分，第一部分用于存儲對象自身的運行時數據，和哈希碼、GC分代年齡、鎖狀態標志、線程持有的鎖、偏向鎖ID、偏向時間戳等，這部分數據的長度在32位和64為位的虛擬機中分別是32位和64位，官方叫“Mark Word”。Mark Word結構如下：

由于對象要存儲的運行時數據很多，已經超過了限制的長度，Mark Word被設計成了非固定的數據結構，以便在極小的空間內存儲更多的數據，它會根據對象的狀態復用自己的存儲空間，如上圖。

對象頭的另一部分是類型指針，即對象指向它的類元數據的指針，虛擬機可以通過這個指針來確定這個對象屬于哪個類。并不是所有的虛擬機實現都必須在對象數據上保留類型指針，也就是說查找對象的元數據信息不一定要經過對象本身。另外，如果對象是一個Java數組，那么對象頭中還必須有一塊用于記錄數組長度的數據，因為虛擬機可以根據普通Java對象的元數據信息確定對象的大小，但是從數組的元數據中無法確定數組的大小。

接下來的數據是對象真正存儲的有效信息，也是程序代碼中所定義的各種類型的字段的內容。無論是從父類繼承來的，還是子類中定義的，都要記錄下來。這部分的存儲順序會受到虛擬機分配策略參數和字段在類中定義的順序的影響。HotSpot虛擬機默認的分配策略是longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers)，可以看出，相同寬度的字段總是分配到一起。在這個情況下，父類的字段會在子類之前。

第三部分是填充數據，這部分不是必須的，僅僅起到占位符的作用。HotSpot虛擬機的自動內存管理系統要求對象的起始地址必須是8字節的整數倍，如果不夠的話，就需要填充來補齊。

3、對象的訪問定位

上面的兩部分解決了如何分配內存以及在內存中存放什么數據的問題。經過這兩個步驟就創建好了一個Java對象，但創建對象是為了使用的。在Java虛擬機棧中有局部變量表，用來存儲一個方法要用到的局部數據。對于基本類型的數據可以直接存放數據，但是對于對象實例就不可以了，因為對象種類太多也不能確定大小。這時可以用reference引用類型表示一個對象實例，這個reference指向Java堆中創建好的對象，就可以使用了。

不過，這個Java堆中的數據要使用時還需要知道所屬的類的元數據信息，比如這個對象是屬于哪個類的。這時，如何確定對象的類型數據就有兩個方法：使用句柄訪問和使用直接指針訪問。

如果使用句柄訪問，那么Java堆中就會劃出一塊內存來作為句柄池，reference中存放的就是對象的句柄地址，而句柄中包括了對象實例數據與類型數據各自的具體地址信息，如下圖：

這樣，reference就可以找到實例數據和類型數據了。

如果使用直接指針訪問的話，那么Java堆對象的布局就需要存放類型數據的相關信息了，而reference中存放的就是對象地址，如下圖：

這兩種對象訪問方式各有優勢，使用句柄來訪問的最大好處就是reference中存儲的就是穩定的句柄地址，在對象被移動（垃圾回收中這種情況經常發生）時只會改變句柄中的實例數據指針，而reference本身不需要修改。

使用直接指針訪問的方式的最大好處就是速度更快，因為它節省了一次指針定位的時間開銷，由于Java中對象的訪問非常頻繁，這樣的積累還是有很客觀的性能提升的。而HotSpot中就是使用的這種訪問方式。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的HotSpot虚拟机在Java堆中对对象的管理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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