怎么深入理解Java虚拟机中的HotSpot虚拟机对象

引言

Java虚拟机（JVM）是Java语言的核心，而HotSpot虚拟机是JVM中最常用的实现之一。理解HotSpot虚拟机中的对象模型对于深入掌握Java编程和性能优化至关重要。本文将详细介绍HotSpot虚拟机中的对象模型，包括对象的创建、内存布局、访问定位、垃圾回收等内容。

1. 对象的创建

在Java程序中，对象的创建是通过new关键字来实现的。HotSpot虚拟机在遇到new指令时，会执行以下步骤：

1. 类加载检查：首先检查new指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个类是否已被加载、解析和初始化。如果没有，则执行类加载过程。

2. 分配内存：类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类加载完成后便可完全确定。内存分配的方式有两种：

   • 指针碰撞：假设Java堆中的内存是绝对规整的，所有用过的内存放在一边，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。分配内存仅仅是把指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
   • 空闲列表：如果Java堆中的内存并不是规整的，虚拟机就必须维护一个列表，记录哪些内存块是可用的，在分配时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。

3. 初始化零值：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）。这一步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。

4. 设置对象头：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）中。

5. 执行<init>方法：最后，虚拟机会执行<init>方法，即对象的构造函数，按照程序员的意愿对对象进行初始化。

2. 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中的存储布局可以分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

2.1 对象头

对象头包含两部分信息：

• Mark Word：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit。

• Klass Pointer：即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

2.2 实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也就是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录下来。

2.3 对齐填充

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

3. 对象的访问定位

Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

3.1 使用句柄访问

如果使用句柄访问的话，Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。

3.2 使用直接指针访问

如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。

这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

4. 对象的垃圾回收

在Java中，对象的生命周期由垃圾回收器（Garbage Collector, GC）管理。当一个对象不再被引用时，它就成为垃圾回收的候选对象。HotSpot虚拟机使用分代垃圾回收算法来管理内存。

4.1 分代垃圾回收

HotSpot虚拟机将堆内存分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。新生代又分为Eden区和两个Survivor区（From Survivor和To Survivor）。大多数对象首先在Eden区分配，经过多次垃圾回收后仍然存活的对象会被移动到Survivor区，最终进入老年代。

4.2 垃圾回收算法

HotSpot虚拟机主要使用以下几种垃圾回收算法：

• 标记-清除算法（Mark-Sweep）：首先标记出所有需要回收的对象，然后统一回收所有被标记的对象。这种算法会产生大量不连续的内存碎片。

• 复制算法（Copying）：将内存分为两块，每次只使用其中一块。当这一块内存用完后，就将还存活的对象复制到另一块内存上，然后清理掉已使用的内存。这种算法适用于新生代。

• 标记-整理算法（Mark-Compact）：首先标记出所有需要回收的对象，然后将所有存活的对象向一端移动，最后清理掉边界以外的内存。这种算法适用于老年代。

5. 总结

理解HotSpot虚拟机中的对象模型对于Java开发者来说非常重要。通过了解对象的创建过程、内存布局、访问定位以及垃圾回收机制，开发者可以更好地编写高效、稳定的Java程序，并在性能调优时做出更明智的决策。希望本文能够帮助读者深入理解HotSpot虚拟机中的对象模型，并在实际开发中加以应用。