从JVM角度看对象创建过程和内存布局

1.创建对象的方式

• new：最常见的方式、Xxx的静态方法，XxxBuilder/XxxFactory的静态方法

• Class的newInstance方法：反射的方式，只能调用空参的构造器，权限必须是public

• Constructor的newInstance(XXX)：反射的方式，可以调用空参、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，实现clone()

• 使用序列化：从文件中、从网络中获取一个对象的二进制流

• 第三方库 Objenesis

2.创建对象的步骤

前面所述是从字节码角度看待对象的创建过程，现在从执行步骤的角度来分析:

2.1.对象判断

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

2.2.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

如果内存规整：虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Point）来为对象分配内存。

指针碰撞的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：虚拟机需要维护一个空闲列表（Free List）来为对象分配内存。

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

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

2.3.处理并发问题

• 采用CAS失败重试、区域加锁保证更新的原子性

• 每个线程预先分配一块TLAB：通过设置 -XX:+UseTLAB参数来设定

2.4.初始化分配到的内存

所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值时可以直接使用

2.5. 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。

2.6.执行init方法初始化

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。

3.对象内存布局

3.1.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

3.1.1运行时元数据

1. 哈希码（Hash Code）：Mark Word中可能包含对象的哈希码，用于支持哈希表等数据结构的操作。
2. GC标记（GC Mark）：Mark Word中的一些位用于垃圾回收器进行标记。例如，可以使用一个位来表示对象是否被垃圾回收器标记为可回收。
3. 对象分代年龄（Age）：在分代垃圾回收算法中，Mark Word可能包含对象在年轻代或老年代中的年龄信息，用于判断是否需要晋升到老年代或进行其他优化操作。
4. 锁状态（Lock State）：Mark Word中的一些位用于表示对象的锁状态。常见的锁状态有：
   • 无锁状态（Unlocked）：表示对象没有被任何线程锁定。
   • 偏向锁状态（Biased Lock）：表示对象被某个线程偏向锁定，只有该线程可以获取和释放锁。
   • 轻量级锁状态（Lightweight Lock）：表示对象正在被多个线程竞争，使用CAS操作进行加锁和解锁。
   • 重量级锁状态（Heavyweight Lock）：表示对象正在被一个线程独占，使用互斥量进行加锁和解锁。
5. 偏向线程ID（Thread ID）：记录了获取偏向锁的线程的唯一标识符。当一个对象被某个线程获取偏向锁时，Mark Word中会存储该线程的ID。
6. 偏向时间戳（Epoch）：记录了获取偏向锁的时间戳。当一个对象被某个线程获取偏向锁时，Mark Word中会存储当前时间戳。

3.1.2.类型指针

指向类元数据InstanceKlass，确定该对象所属的类型。类型指针（Class Pointer）：类型指针指向该对象所属类的元数据信息，用于确定该对象属于哪个类。通过类型指针，JVM可以在运行时确定对象的类型，并进行相应的方法调用和字段访问。

3.2实例数据

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）

• 相同宽度的字段总是被分配在一起

• 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

3.3.对齐填充

不是必须的，也没有特别的含义，仅仅起到占位符的作用

4.对象访问定位

思考这么一个问题 JVM是如何通过栈帧中的对象引用访问到内部对象的实例呢？

4.1.句柄访问

句柄访问是一种对象访问的方式，它通过使用句柄来间接引用对象。在句柄访问模型中，Java堆被划分为两个部分：一部分是存放对象的内存空间，另一部分是存放句柄的内存空间

优点：

1. 内存移动：由于Java堆中的对象可能会被垃圾回收器移动，使用句柄可以避免直接引用对象，从而减少了对象引用的更新操作。
2. 安全性：通过使用句柄，可以对对象进行更严格的访问控制。只有拥有合法句柄的代码才能够访问和操作对象。
3. 垃圾回收：在进行垃圾回收时，只需要更新句柄中的指针即可，而不需要遍历整个堆来更新所有直接引用。

缺点：

1. 额外开销：使用句柄会增加额外的内存开销。每个对象都需要一个额外的句柄来进行间接引用，这会增加内存占用和访问开销。
2. 性能损失：由于每次访问对象都需要通过额外的指针跳转到对应的句柄再跳转到对象，句柄访问模型可能会引入一定的性能损失。
3. 内存访问局限性：句柄访问模型可能导致额外的内存访问开销。在直接引用模型中，对象的实例数据可以直接存储在堆中，而在句柄访问模型中，需要通过额外的指针跳转到句柄再跳转到对象才能访问实例数据。

4.2.直接引用

JVM实现一般采用直接引用模型，而不是句柄访问模型。直接引用模型是指对象的引用直接指向对象的内存地址，而不需要通过句柄来间接引用对象。

直接引用模型的优点包括：

1. 性能优化：由于直接引用可以直接访问对象的内存地址，省去了通过句柄跳转的开销，提高了访问对象的效率。
2. 内存占用：直接引用模型不需要额外的句柄来进行间接引用，减少了内存占用。
3. 简化垃圾回收：在进行垃圾回收时，不需要更新句柄中的指针，只需遍历堆中的对象进行标记和回收。

然而，句柄访问模型也有其优点和适用场景。例如，在一些特定的嵌入式系统或特殊需求下，句柄访问模型可以提供更灵活和安全的对象访问控制。

总结起来，在大多数常见的JVM实现中，采用直接引用模型是更常见和普遍的选择。这种模型在性能和内存占用方面有一定优势，并且能够简化垃圾回收的实现。