JVM学习笔记九：对象实例化与直接内存

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原创最新推荐文章于 2026-06-07 12:10:55 发布 328 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

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0. 前言

声明：
感谢尚硅谷宋红康老师的讲授。
感谢广大网友共享的笔记内容。
B站：https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ
本文的内容基本来源于宋老师的课件，其中有一些其他同学共享的内容，也有一些自己的理解内容。

1. 对象的实例化

对象的实例化
其中的介绍：
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

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
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。
- 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。

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

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

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。

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。

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
构造器中的初始化

对象实例化的过程

加载类的元信息
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

2. 对象的内存布局

对象的内存布局总览

2.1 对象头（Header）
对象头分为两个部分：1. 运行时元数据（Mark Word）2. 类型指针。如果创建的是一个 Array 类型的对象，还需要在对象头中保存数组的长度信息。

运行时元数据（Mark Word）
● 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

类型指针
指向类元数据 InstanceClass，确定该对象所属的类型。

2.2 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）
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
2.3 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

图例说明
对象的内存布局1
对象的内存布局2

3. 对象的访问定位

访问方式的思维导图

JVM是如何通过栈帧中的对象引用访问到其内部的对象实例呢？
对象的访问定位

3.1 句柄访问

句柄访问
优点：Reference 中存储稳定的句柄地址，当垃圾回收器工作时对象被移动（标记整理算法），这时候只需要改变句柄中的实例数据指针即可，Reference 本身不需要被修改。
缺点：需要额外的使用句柄池，占用空间。

3.2 直接指针（HotSpot采用）

优点：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。
缺点：句柄访问的优点。

4. 直接内存

4.1 直接内存概述

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

4.2 非直接缓存区

使用IO读写文件，需要与磁盘交互，需要由用户态切换到内核态。在内核态时，需要两份内存存储重复数据，效率低。
非直接缓存区访问方式

4.3 直接缓存区

使用NIO时，操作系统划出的直接缓存区可以被 java 代码直接访问，只有一份。NIO适合对大文件的读写操作。
直接缓存区访问方式
也可能导致 OutOfMemoryError 异常

public class DirectMemoryOutOf {
    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);
        }
    }
}

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory 
    at java.nio.Bits.reserveMemory(Bits.java:693)
    at java.nio.DirectByteBuffer.<init>(DirectByteBuffer.java:123)
    at java.nio.ByteBuffer.allocateDirect(ByteBuffer.java:311)
    at com.atguigu.java.BufferTest2.main(BufferTest2.java:20)

异常结果

由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于 -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。

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 -Xmx 参数值一致。
JDK7与JDK8的变化
例子：

package com.hhyy;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.util.Scanner;
/*
以下程序执行后，可以通过任务管理器查看Java进行的占用情况。
 */
public class TestDirectMemory {
    static int memorySize = 1024 * 1024 * 1024; // 1GB
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(memorySize);
        System.out.println("分配直接内存....");

        Scanner in = new Scanner(System.in);
        in.next();

        byteBuffer = null;
        System.out.println("直接内存被释放");


        System.gc();
        in.next();
    }

}