前言

在Java世界中，萬(wàn)物皆對(duì)象。當(dāng)我們談?wù)撘粋€(gè)對(duì)象時(shí)，其實(shí)質(zhì)是指代一段具有特定屬性和行為的內(nèi)存區(qū)域。在JVM的視角下，對(duì)象的存儲(chǔ)并非簡(jiǎn)單的字節(jié)序列堆積，而是遵循著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與管理規(guī)則。從創(chuàng)建到消亡，一個(gè)Java對(duì)象在JVM中的生命歷程主要圍繞堆內(nèi)存展開(kāi)，而堆正是JVM內(nèi)存模型中用于存儲(chǔ)對(duì)象實(shí)例的主要區(qū)域。

本文將圍繞對(duì)象的實(shí)例化、對(duì)象內(nèi)存布局、對(duì)象的訪問(wèn)定位和直接內(nèi)存展開(kāi)介紹說(shuō)明。

對(duì)象實(shí)例化

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創(chuàng)建對(duì)象的方式

最常見(jiàn)的方式new、Xxx的靜態(tài)方法，XxxBuilder/XxxFactory的靜態(tài)方法：

Student student = new Student();

Class的newInstance方法：反射的方式，只能調(diào)用空參的構(gòu)造器，權(quán)限必須是public：

Class clazz = Class.forName("org.yian.Student");
Student student = (Student) clazz.newInstance();

Constructor的newInstance(XXX)：反射的方式，可以調(diào)用空參、帶參的構(gòu)造器，權(quán)限沒(méi)有要求：

Student.class.getConstructor().newInstance();

使用clone()：不調(diào)用任何的構(gòu)造器，要求當(dāng)前的類(lèi)需要實(shí)現(xiàn)Cloneable接口，實(shí)現(xiàn)clone()：

Student clone = student.clone();

使用序列化：從文件中、從網(wǎng)絡(luò)中獲取一個(gè)對(duì)象的二進(jìn)制流：

public class Student implements Serializable {
    private String name;
    private Integer age;
 
    public String getName() {
        return name;
    }
 
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
 
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
 
    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }
 
    public void say() {
        System.out.println("hello i'm yian!"+this.age);
    }
 
 
    public static void main(String[] args) throws Exception {
 
        Student student = new Student();
        student.setAge(10);
        String filePath = "com";
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(filePath));
        oos.writeObject(student);
        oos.close();
        System.out.println("序列化完成！");
 
        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(filePath));
        Student student1 = (Student) ois.readObject();
        ois.close();
        student1.say();
        System.out.println("反序列化完成！");
 
    }
}

第三方庫(kù) Objenesis：

Objenesis objenesis = new ObjenesisStd();
ObjectInstantiator<Student> instantiator = objenesis.getInstantiatorOf(Student.class);
Student st = instantiator.newInstance();

創(chuàng)建對(duì)象的步驟

字節(jié)碼分析對(duì)象創(chuàng)建

javap -v -p Student.class：

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• new：會(huì)首先檢查這個(gè)Class有沒(méi)有加載，即加載、鏈接、初始化？并按照編譯中的大小信息分配空間，進(jìn)行創(chuàng)建對(duì)象 ,并對(duì)其臨時(shí)初始化
• dup：第一句new會(huì)在操作數(shù)棧中生成一個(gè)指向該對(duì)象的引用，dup指令會(huì)將這個(gè)引用再?gòu)?fù)制一遍，放到操作數(shù)棧的棧頂，上面那個(gè)引用是作為一個(gè)句柄指向方法區(qū)的對(duì)應(yīng)方法。
• invokespecial ：進(jìn)行真實(shí)初始化，為其賦實(shí)際的初始值【即調(diào)用構(gòu)造器方法<init>】

注意：

<init>與<clinit>的區(qū)別：前者是一個(gè)類(lèi)的構(gòu)造器在字節(jié)碼中對(duì)應(yīng)的方法，后者習(xí)慣被稱(chēng)為類(lèi)構(gòu)造器方法，他會(huì)在類(lèi)加載的初始化階段對(duì)類(lèi)的靜態(tài)部分進(jìn)行初始化【如靜態(tài)代碼塊，靜態(tài)成員變量等】

JVM創(chuàng)建對(duì)象的步驟

1.判斷對(duì)象對(duì)應(yīng)的類(lèi)是否加載、鏈接、初始化

虛擬機(jī)遇到一條new指令，首先去檢查這個(gè)指令的參數(shù)能否在Metaspace的常量池中定位到一個(gè)類(lèi)的符號(hào)引用，并且檢查這個(gè)符號(hào)引用代表的類(lèi)是否已經(jīng)被加載，解析和初始化（即判斷類(lèi)元信息是否存在）

如果沒(méi)有，那么在雙親委派模式下，使用當(dāng)前類(lèi)加載器以ClassLoader + 包名 + 類(lèi)名為key進(jìn)行查找對(duì)應(yīng)的.class文件；

• 如果沒(méi)有找到文件，則拋出ClassNotFoundException異常
• 如果找到，則進(jìn)行類(lèi)加載，并生成對(duì)應(yīng)的Class對(duì)象

2.為對(duì)象分配內(nèi)存

首先計(jì)算對(duì)象占用空間的大小，接著在堆中劃分一塊內(nèi)存給新對(duì)象。如果實(shí)例成員變量是引用變量，僅分配引用變量空間即可，即4個(gè)字節(jié)大小

如果內(nèi)存規(guī)整：虛擬機(jī)將采用的是指針碰撞法（Bump The Point）來(lái)為對(duì)象分配內(nèi)存。

• 所有用過(guò)的內(nèi)存在一邊，空閑的內(nèi)存放另外一邊，中間放著一個(gè)指針作為分界點(diǎn)的指示器，分配內(nèi)存就僅僅是把指針指向空閑那邊挪動(dòng)一段與對(duì)象大小相等的距離罷了。如果垃圾收集器選擇的是Serial、ParNew這種基于壓縮算法的，虛擬機(jī)采用這種分配方式。一般使用帶Compact（整理）過(guò)程的收集器時(shí)，使用指針碰撞

如果內(nèi)存不規(guī)整：虛擬機(jī)需要維護(hù)一個(gè)空閑列表（Free List）來(lái)為對(duì)象分配內(nèi)存

• 已使用的內(nèi)存和未使用的內(nèi)存相互交錯(cuò)，那么虛擬機(jī)將采用的是空閑列表來(lái)為對(duì)象分配內(nèi)存。意思是虛擬機(jī)維護(hù)了一個(gè)列表，記錄上那些內(nèi)存塊是可用的，再分配的時(shí)候從列表中找到一塊足夠大的空間劃分給對(duì)象實(shí)例，并更新列表上的內(nèi)容

選擇哪種分配方式由Java堆是否規(guī)整所決定，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否帶有壓縮整理功能決定。

3.處理并發(fā)問(wèn)題

• 采用CAS失敗重試、區(qū)域加鎖保證更新的原子性
• 每個(gè)線程預(yù)先分配一塊TLAB：通過(guò)設(shè)置-XX:+UseTLAB參數(shù)來(lái)設(shè)定

4.初始化分配到的內(nèi)存

所有屬性設(shè)置默認(rèn)值，保證對(duì)象實(shí)例字段在不賦值時(shí)可以直接使用

5.設(shè)置對(duì)象的對(duì)象頭

• Mark Word：存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)元數(shù)據(jù)，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、偏向線程ID等。這些信息直接影響對(duì)象的內(nèi)存管理、線程同步以及方法調(diào)用等操作
• 類(lèi)型指針：指向方法區(qū)中的類(lèi)型信息，如類(lèi)的元數(shù)據(jù)、方法表、常量池等。通過(guò)類(lèi)型指針，JVM能夠快速定位到對(duì)象所屬類(lèi)的詳細(xì)定義，實(shí)現(xiàn)方法調(diào)度、字段訪問(wèn)等操作

6.執(zhí)行init方法進(jìn)行初始化

在Java程序的視角看來(lái)，初始化才正式開(kāi)始。初始化成員變量，執(zhí)行實(shí)例化代碼塊，調(diào)用類(lèi)的構(gòu)造方法，并把堆內(nèi)對(duì)象的首地址賦值給引用變量

對(duì)象初始化初始化順序?yàn)椋耗J(rèn) -> 顯式或靜態(tài)代碼塊 -> 構(gòu)造方法 -> setter

對(duì)象內(nèi)存布局

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對(duì)象頭

對(duì)象頭包含了兩部分，分別是運(yùn)行時(shí)元數(shù)據(jù)和類(lèi)型指針。如果是數(shù)組，還需要記錄數(shù)組的長(zhǎng)度。

運(yùn)行時(shí)元數(shù)據(jù)：

• 哈希值（HashCode）
• GC分代年齡
• 鎖狀態(tài)標(biāo)志
• 線程持有的鎖
• 偏向線程ID
• 偏向時(shí)間戳

類(lèi)型指針：

• 指向類(lèi)元數(shù)據(jù)InstanceKlass，確定該對(duì)象所屬的類(lèi)型

實(shí)例數(shù)據(jù)

它是對(duì)象真正存儲(chǔ)的有效信息，包括程序代碼中定義的各種類(lèi)型的字段（包括從父類(lèi)繼承下來(lái)的和本身?yè)碛械淖侄危?/p>

• 相同寬度的字段總是被分配在一起
• 父類(lèi)中定義的變量會(huì)出現(xiàn)在子類(lèi)之前
• 如果CompactFields參數(shù)為true（默認(rèn)為true）：子類(lèi)的窄變量可能插入到父類(lèi)變量的空隙

對(duì)齊填充

不是必須的，也沒(méi)有特別的含義，僅僅起到占位符的作用

小結(jié)：

public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "匿名客戶";
    }

    public Customer() {
        acct = new Account();
    }
}

public class CustomerTest{
    public static void main(string[] args){
        Customer cust = new Customer();
    }
}

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對(duì)象的訪問(wèn)定位

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JVM是如何通過(guò)棧幀中的對(duì)象引用訪問(wèn)到其內(nèi)部的對(duì)象實(shí)例？

句柄訪問(wèn)

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reference中存儲(chǔ)穩(wěn)定句柄地址，對(duì)象被移動(dòng)（垃圾收集時(shí)移動(dòng)對(duì)象很普遍）時(shí)只會(huì)改變句柄中實(shí)例數(shù)據(jù)指針即可，reference本身不需要被修改

直接指針（HotSpot采用）

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直接指針是局部變量表中的引用，直接指向堆中的實(shí)例，在對(duì)象實(shí)例中有類(lèi)型指針，指向的是方法區(qū)中的對(duì)象類(lèi)型數(shù)據(jù)

直接內(nèi)存

不是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的一部分，也不是《Java虛擬機(jī)規(guī)范》中定義的內(nèi)存區(qū)域。直接內(nèi)存是在Java堆外的、直接向系統(tǒng)申請(qǐng)的內(nèi)存區(qū)間。來(lái)源于NIO，通過(guò)存在堆中的DirectByteBuffer操作Native內(nèi)存。通常，訪問(wèn)直接內(nèi)存的速度會(huì)優(yōu)于Java堆，即讀寫(xiě)性能高

非直接緩存區(qū)

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使用IO讀寫(xiě)文件，需要與磁盤(pán)交互，需要由用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。在內(nèi)核態(tài)時(shí)，需要兩份內(nèi)存存儲(chǔ)重復(fù)數(shù)據(jù)，效率低。

直接緩存區(qū)

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使用NIO時(shí)，操作系統(tǒng)劃出的直接緩存區(qū)可以被java代碼直接訪問(wèn)，只有一份。NIO適合對(duì)大文件的讀寫(xiě)操作。