对象内存的分配方式、内存布局以及访问定位

一、对象内存的分配方式

1.1、指针碰撞

假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配的内存就仅仅是把那个指针向空闲方向挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为：“指针碰撞（Bump The Pointer）”。

1.2、空闲列表

但是如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录那些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空闲划分给对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为：“空闲列表（free list）”。选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理（compact）的能力决定。因此，当使用serial、parnew等带压缩整理过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，既简单又高效；而当使用CMS这种基于清除算法的收集器时，理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。

除如何划分可用空间之外，还有另一个需要考虑的问题：对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象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处理--实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另外一种是把内存分配的动作按照线程规划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁，虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数设定。

二、对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对其填充（Padding)。

2.1、对象头

HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括俩类信息。第一类是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（未开启压缩指针）中分别为32个比特位和64个比特位，官方称它为：“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的最大限度，但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Work被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在64位的虚拟机中Mark Word的31位用于存储对象的哈希码，4个比特位用于存储对象的分代年龄，2个比特位用于存储锁标记为，一个比特位固定是0，一个比特位用于存储是否偏向锁。

对象头的另一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指正确定该对象是那个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。此外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数据长度的数组，因为细腻及可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是如果数据的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。

2.2、实例数据

实例数据部分是对象真正存储有效信息，即我们在程序代码里面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字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（-XX:FieldAllocationStyle参数）和子弹在Java源码中定义的顺序的影响。Hotspot虚拟机默认的分配顺序为：longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers,OOPs），从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前，如果HotSpot虚拟机的+XX:CompactField参数值为true（默认就是true），那子类中较窄的变量也允许插入父类变量的间隙中，以节省出一点点空间。

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hostspot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，换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数，因此，如果对象实例数据部分没有对其的话，就需要通过对齐填充来补全。

三、对象的访问定位

创建对象自然是为了后续使用该对象，我们的Java程序会通过栈上的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》里面只规定了它是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该应该通过什么方式去定位。访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的，主流发访问有使用句柄和直接指针俩种。

3.1：句柄访问

如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能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示例数据与类型数据各自具体的地址信息。

3.2、直接指针

如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局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，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。

俩种访问方式各有优势，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（垃圾收集是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本身不需要被修改。

使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位时间开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此此类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本。HotSpot虚拟机主要使用第二种方式进行对象访问（有列外情况，如果使用了Shenandoah收集器的话也会有一次额外的转发）。

借道友法力一用：

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