JVM-06-对象实例化、内存布局、访问定位以及直接内存

对象实例化

创建对象的方式

• new：最常见的方式。变形1：单例类中调用getInstance的静态类方法。变形2：XXXFactory/XXXBuilder的静态方法
• Class的newInstance方法：反射的方式，只能使用空参的构造器，权限必须是public
• Constructor的newInstance(XXX)：反射的方式，可以调用空参的，或者带参的构造器，权限没有要求
• 使用clone()：不调用任何的构造器，要求当前的类需要实现Cloneable接口中的clone方法
• 使用序列化：序列化一般用于Socket的网络传输
• 第三方库 Objenesis

从字节码角度看待对象的创建过程

public static void main(String[] args){
  Object o = new Object();
}

对应的字节码文件 注意：new出来的对象都会有一个dup复制的过程

         0: new           #2                  // class java/lang/Object
           //new一个对象在操作数栈中
         3: dup
           //在操作数栈中复制一份
         4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
           //执行init方法（构造器）
         7: astore_1
           // 将new出来的对象放入局部变量表中
         8: return

• new:如果找不到Class对象,则进行类加载。加载成功后,则在堆中分配内存,从Object 开始到本类路径上的所有属性值都要分配内存。分配完毕之后,进行零值初始化。在分配过程中,注意引用是占据存储空间的,它是一个变量,占用4个字节。这个指令完毕后,将指向实例对象的引用变量压入虚拟机栈顶。
• dup:在栈顶复制该引用变量,这时的栈顶有两个指向堆内实例对象的引用变量。如果 方法有参数,还需要把参数压人操作栈中。两个引用变量的目的不同,其中压至底下的引用用于赋值,或者保存到局部变量表,另一个栈顶的引用变量作为句柄调用相关方法。
• invokespecial:调用对象实例方法,通过栈顶的引用变量调用init方法。
  补充:clinit是类初始化时执行的方法, 而init 是对象初始化时执行的方法。

从执行步骤角度看待对象的创建过程

• 加载类元信息
• 为对象分配内存
• 处理并发问题
• 属性的默认初始化（零值初始化）
• 设置对象头信息
• 属性的显示初始化、代码块中初始化、构造器中初始化

1. 判断对象对应的类是否加载、链接、初始化

   虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的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经被加载，解析和初始化。（即判断类元信息是否存在）。如果没有，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader + 包名 + 类名为key进行查找对应的 .class文件，如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，如果找到，则进行类加载，并生成对应的Class对象。

2. 为对象分配内存

   首先计算对象占用空间的大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小(byte、int、float、引用数据类型4个字节大小 | double、long 占八个字节)

   • 如果内存规整：指针碰撞

     如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Point）来为对象分配内存。

     意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存放另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针指向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是Serial ，ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。一般使用带Compact（整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。

   • 如果内存不规整

     • 虚拟表需要维护一个列表

     • 空闲列表分配

       如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上那些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。这种分配方式成为了 “空闲列表（Free List）”

   选择哪种分配方式由Java堆是否规整所决定，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。

3. 处理并发问题

   • 采用CAS配上失败重试保证更新的原子性
   • 每个线程预先分配一块TLAB - 通过设置 -XX:+UseTLAB参数来设置（区域加锁机制）
     • 在Eden区给每个线程分配一块区域

4. 初始化分配到的内存

   给对象属性赋值的操作

   • 属性的默认初始化

   • 显示初始化

   • 代码块中的初始化

   • 构造器初始化

   • 所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值可以直接使用

5. 设置对象的对象头
   将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。

6. 执行init方法进行初始化
   在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量

   因此一般来说（由字节码中跟随invokespecial指令所决定），new指令之后会接着就是执行方法，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成创建出来。

对象的内存布局

对象内部结构分为：对象头、实例数据、对齐填充(保证8个字节的倍数)

对象头分为对象标记(markOop)和类元信息(klassOop),类元信息存储的是指向该对象类元数据(klass)的首地址

对象头

对象头包含了两部分，分别是 运行时元数据（Mark Word）和 类型指针

如果是数组，还需要记录数组的长度

运行时元数据

• 哈希值（HashCode）

• GC分代年龄

• 锁状态标志

• 线程持有的锁

• 偏向线程ID

• 翩向时间戳

  这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以MarkWord被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。
  它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间MarkWord里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

  对象头大小：在64位系统中,Mark Word占了8个字节,类型指针占了8个字节,一共是16个字节

  

类型指针

指向类元数据InstanceKlass，确定该对象所属的类型。指向的其实是方法区中存放的类元信息，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例，xxx.getClass()方法就是通过这一指针获取的。

实例数据（Instance Data）

它是对象真正存储的有效信息，包括程序代码中定义的各种类型的字段（包括从父类继承下来的和本身拥有的字段） 规则：

• 相同宽度的字段总被分配在一起
• 父类中定义的变量会出现在子类之前
• 如果CompactFields参数为true（默认为true），子类的窄变量可能插入到父类变量的空隙

对齐填充（Padding）

不是必须的，也没特别含义，仅仅起到占位符作用

总结

对象的访问定位

对象访问的两种方式

• 句柄访问

  句柄访问就是说栈的局部变量表中，记录的对象的引用，然后在堆空间中开辟了一块空间，也就是句柄池

  优点：reference中存储稳定句柄地址，对象被移动（垃圾收集时移动对象很普遍）时只会改变句柄中实例数据指针即可，reference本身不需要被修改

  

• 直接指针（HotSpot采用的方式）

  直接指针是局部变量表中的引用，直接指向堆中的实例，在对象实例中有类型指针，指向的是方法区中的对象类型数据

直接内存 Direct Memory

• 不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域。

• 直接内存是在Java堆外的、直接向系统申请的内存区间。

• 来源于NIO，通过存在堆中的DirectByteBuffer操作Native内存

• 通常，访问直接内存的速度会优于Java堆。即读写性能高。

  • 因此出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。

  • Java的NIO库允许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区

  使用下列代码，直接分配本地内存空间

          int BUFFER = 1024*1024*1024; // 1GB
          ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
          Scanner scanner = new Scanner(System.in);
          scanner.nextLine();
          byteBuffer = null;
          System.gc();
  

非直接缓存区和缓存区

通常，访问直接内存的速度会优于Java堆。即读写性能高

• 因此出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存
• Java的NIO库允许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区

也可能导致OutOfMemoryError异常:OutOfMemoryError: Direct buffer memory

/**
 * 本地内存的OOM:  OutOfMemoryError: Direct buffer memory
 */
public class BufferTest2 {
    private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 20;//20MB

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<ByteBuffer> list = new ArrayList<>();

        int count = 0;
        try {
            while(true){
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
                list.add(byteBuffer);
                count++;
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } finally {
            System.out.println(count);
        }


    }
}

• 由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于一Xmx指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。
• 缺点
  • 分配回收成本较高
  • 不受JVM内存回收管理
• 直接内存大小可以通过MaxDirectMemorySize设置
• 如果不指定，默认与堆的最大值一Xmx参数值一致

简单理解： java process memory = java heap + native memory