jvm学习笔记HotSpot虚拟机对象探秘

2、HotSpot虚拟机对象探秘

　介绍完Java虚拟机的运行时数据区之后，我们大致知道了虚拟机内存的概况，读者了解了内存中放了些什么后，也许就会想更进一步了解这些
虚拟机内存中的数据的其他细节，譬如它们是如何创建、如何布局以及如何访问的。对于这样涉及细节的问题，必须把讨论范围限定在具体的虚拟机和
集中在某一个内存区域上才有意义。基于实用优先的原则，笔者以常用的虚拟机HotSpot和常用的内存区域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。

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。在语言层面上，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，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，本书第7章将探讨这部分内容的细节。 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（如何确定将在2.3.2节中介绍），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”（Bump the Pointer）。如果Java堆中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问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上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。 虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。 内存分配完成后，虚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分配时进行。这一步操作保证了对象的实 例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问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，例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。关于对象头的具体内容，稍后再做详细介绍。 在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从Java程 序的视角来看，对象创建才刚刚开始——＜init＞方法还没有执行，所有的字段都还为零。 所以，一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），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行初始化，这样一个真正可用的对象才算完 全产生出来。 下面的代码清单2-1是HotSpot虚拟机bytecodeInterpreter.cpp中的代码片段（这个解释器实 现很少有机会实际使用，因为大部分平台上都使用模板解释器；当代码通过JIT编译器执行 时差异就更大了。不过，这段代码用于了解HotSpot的运作过程是没有什么问题的）。