java虚拟机内存管理机制之HotSpot虚拟机对象探秘
继java内存区域相关知识点学习分享后，今天来学习分享一下HotSpot虚拟机对象的创建，内存分配，访问定位相关知识。
学习新内容之前，先回忆一些内存区域的知识点：
①方法区的概念。
②运行时常量池的概念。
③虚拟机栈的概念。
④java堆分类。
再带上一些疑问：
①java对象的生命周期。
②CAS原理。
③什么是JNI。
基于优先实用原则，我们以常用的虚拟机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，对象布局，对象访问的全过程。
方便理解，我们先说说对象内存布局。
一、对象内存布局
在HotSpot虚拟机中，对象在内存中的存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）、对齐填充（Padding）。
1.对象头包括两部分信息：①存储对象自身的运行时数据。②类型指针；什么是对象自身的运行时数据，如哈希码、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位或64位的虚拟机中（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit。官方称之为“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32位或64位bitmap的存储限度，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word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信息。它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如，在32位的HotSpot虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态，那么其32bit空间中25bit用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0,。虚拟机对象的状态包括：未锁定，轻量级锁定，膨胀（重量级锁定），GC标记，可偏向；什么是类型指针，就是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机根据这个指针来确定对象是哪个类的实例，但也并不是说一定要通过对象本身来查找对象的元数据信息。如果对象为数组，那么对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据（因为虚拟机无法通过数组的元数据信息确定数据大小）。
2.实例数据
实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中定义的各种类型的字段内容，无论是继承父类还是在子类中定义，都需要记录下来，这部分存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义的顺序影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers）,相同宽度的字段总是被分配到一起，在满足这个条件的前提下，父类中定义的变量会出现在子类之前，如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类中较窄的变量也可能插入到父类变量的空隙之中。
3.对齐填充
此部分数据并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HosSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，换而言之，就是对象的大小必须是8自己的整数倍。对象头正好是8字节的整数倍（1倍或者2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。
二、对象的创建
java是一门面向对象的编程语言，在java程序运行中无时无刻都有对象被创建，在语言层面，对象的创建仅仅是一个new关键字而已。当虚拟机遇到一个new指令时，首先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，则必须先执行相应的类加载过程。（此处回忆一下运行时常量池：运行时常量池是方法区的一部分，线程共享，“常量池”是类的信息的一部分，用于存放编译器生成的各种字面常量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入到方法区的运行时常量池存放）；
在类检查通过后，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，为对象分配内存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。对象内存分配的方式有两种①“指针碰撞”方式②“空闲列表”方式，“指针碰撞”方式要求，java堆内存是绝对规整的，所有用过的内存放在一边，未使用的内存放在一边，之间以一个指针作为分界点指示器，那么分配内存仅仅是把那个指针像空闲的一端挪一段与对象大小的距离；“空闲列表”方式中，java堆内存不是规整的，已使用与未使用的内存相互交错，那就没有办法简单的“指针碰撞”了，此时，虚拟机必须维护一个列表，用于记录哪些内存是可用的，在分配的时候，找到一块足够大的内存分配给对象实例，并更新列表上的记录。选择哪种方式是由java堆是否规整决定，而java堆是否规整又取决于其采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能。当使用Serial、parNew等带有compact功能的收集器时，采用的分配方式为“指针碰撞”，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法收集器时，通常采用“空闲列表”。
除了如何划分可用空间外，还需要考虑一个问题，对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是修改一个指针的指向地址，在并发的情况下也不是线程安全的，可能会出现正在给对象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。解决内存分配的线程问题有两种解决方案，一种是对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上是虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。（CAS（Compare And Swap）,一种保证同步的乐观锁机制，在JDK1.5之前，java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这会导致有锁，锁机制有存在很多问题，①在多线程竞争下，加锁、和释放锁会导致比较多的上下文切换和调度延时，引起性能问题；②一个线程持有锁会导致其他所有需要此锁的线程挂起。③如果一个优先级高的线程等待一个优先级低的线程释放锁会导致优先级倒置，引起性能风险；volatile是个不错的机制，但是无法保证原子性，所以同步问题最终还是回归到锁机制上；独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，会导致其他所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁，而另一种更加有效的锁就是乐观锁，乐观锁就是：每次操作不加锁，而是假设没有冲突，如果因为冲突失败就重试，直至成功为止）；另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称之为本地线程分配缓冲（TLAB Thread Local Allocation Buffer，说到TLAB大家不会陌生吧，上一篇博文在介绍Java堆分类时做过描述：按照内存分配分类，线程共享的Java堆可以划分为多个线程私有的分配缓冲区）。哪个线程要分配内存，就在线程的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，通过参数-XX:+/-UseTLAB参数设置。
内存分配完成后，需要将分配到的内存空间初始化为零值（不包括对象头，那么除了对齐填充，就只有实例数据了），即这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中不赋初始值就可以直接使用，程序可以访问到这些字段的数据类型所对应的零值。如果使用了TLAB，那么这一过程也可以提前至TLAB分配时进行。
接下来，设置对象头，包括这个对象是哪个类的实例（对象头中的类型指针），对象的哈希码，对象的GC分代年龄等。
到目前为止，在虚拟机的角度上，对象已经创建完成了（类加载检查，未加载则加载，分配内存，内存空间初始化为零值，设置对象头），但从Java程序的角度来看，对象创建才刚刚开始，<init>方法还未执行，一般来说，执行new指令之后，会接着执行<init>方法，就是把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样，一个真正的对象才算创建完成。
三、对象的访问定位
创建对象就是为了使用对象，Java程序需要使用虚拟机栈中的reference类型数据（就是对象引用）来操作Java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需要通过何种方式去定位，访问堆中的对象实例，所以对象的访问方式也取决于虚拟机的相关实现。目前主流的方式有使用句柄和直接指针两种。
①使用句柄，则Java堆中会划出一块内存作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址（包含了对象实例数据和类型数据各自的具体地址），如图
②直接指针，如果使用直接指针，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，reference中存储的直接就是对象地址，如图
这2种方式各有各的好处，使用句柄访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，对象被移动时，只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要改变。使用指针的最大好处就是快，快，快，节省了一次指针定位的开销，对象的访问在Java中十分频繁，因此这类开销积少成多也是一项非常可观的执行成本，就虚拟机HotSpot而言，使用的是直接指针的访问方式。