JAVA 对象内存布局及创建过程

内存布局

在 HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局分为 3 块区域：对象头 ( Header ) 、实例数据 ( InstanceData ) 和对齐填充 (Padding) 。

 1、对象头

“Mark Word”：

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 32 bit 和 64 bit 。

“Klass”：

类型指针，指向该对象的类元数据 ( 方法区 ) 的指针，虚拟机通过该指针来确定这个对象属于哪个类。这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机中分别为 32 bit 和 64 bit ( 如果开启了指针压缩则为 4 bytes )。

“Array Length”：如果对象是一个 Java 数组，那么对象头中还有一块用于记录数组长度的数据

2、实例数据 ( InstanceData )

reference : 在 32 位和 64 位虚拟机中分别为 4 bytes 和 8 bytes ( 如果开启了指针压缩则为 4 bytes )。

3、对齐填充 (Padding)

不是必然存在，无特殊含义，仅仅是占位符的作用。因为 HotSpot VM 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，当对象大小没有对齐时，需要通过对齐填充来补全。

所以对象的内存布局示意图如

关于锁状态 摘自 https://zhuanlan.zhihu.com/p/71156910

synchronized锁升级：偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁

前面提到，synchronized关键字就像是汽车的自动档，现在详细讲这个过程。一脚油门踩下去，synchronized会从无锁升级为偏向锁，再升级为轻量级锁，最后升级为重量级锁，就像自动换挡一样。那么自旋锁在哪里呢？这里的轻量级锁就是一种自旋锁。

初次执行到synchronized代码块的时候，锁对象变成偏向锁（通过CAS修改对象头里的锁标志位），字面意思是“偏向于第一个获得它的线程”的锁。执行完同步代码块后，线程并不会主动释放偏向锁。当第二次到达同步代码块时，线程会判断此时持有锁的线程是否就是自己（持有锁的线程ID也在对象头里），如果是则正常往下执行。由于之前没有释放锁，这里也就不需要重新加锁。如果自始至终使用锁的线程只有一个，很明显偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。

一旦有第二个线程加入锁竞争，偏向锁就升级为轻量级锁（自旋锁）。这里要明确一下什么是锁竞争：如果多个线程轮流获取一个锁，但是每次获取锁的时候都很顺利，没有发生阻塞，那么就不存在锁竞争。只有当某线程尝试获取锁的时候，发现该锁已经被占用，只能等待其释放，这才发生了锁竞争。

在轻量级锁状态下继续锁竞争，没有抢到锁的线程将自旋，即不停地循环判断锁是否能够被成功获取。获取锁的操作，其实就是通过CAS修改对象头里的锁标志位。先比较当前锁标志位是否为“释放”，如果是则将其设置为“锁定”，比较并设置是原子性发生的。这就算抢到锁了，然后线程将当前锁的持有者信息修改为自己。

长时间的自旋操作是非常消耗资源的，一个线程持有锁，其他线程就只能在原地空耗CPU，执行不了任何有效的任务，这种现象叫做忙等（busy-waiting）。如果多个线程用一个锁，但是没有发生锁竞争，或者发生了很轻微的锁竞争，那么synchronized就用轻量级锁，允许短时间的忙等现象。这是一种折衷的想法，短时间的忙等，换取线程在用户态和内核态之间切换的开销。

显然，此忙等是有限度的（有个计数器记录自旋次数，默认允许循环10次，可以通过虚拟机参数更改）。如果锁竞争情况严重，某个达到最大自旋次数的线程，会将轻量级锁升级为重量级锁（依然是CAS修改锁标志位，但不修改持有锁的线程ID）。当后续线程尝试获取锁时，发现被占用的锁是重量级锁，则直接将自己挂起（而不是忙等），等待将来被唤醒。在JDK1.6之前，synchronized直接加重量级锁，很明显现在得到了很好的优化。

一个锁只能按照 偏向锁、轻量级锁、重量级锁的顺序逐渐升级（也有叫锁膨胀的），不允许降级。

创建过程

1.类加载检查

  虚拟机遇到一条new指令时，首先将去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，那必须先执行相应的类加载过程。

  new指令对应到语言层面上讲是，new关键词、对象克隆、对象序列化。

2.分配内存

  在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类 加载完成后便可完全确定，为对象分配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。

这个步骤有两个问题：

1.如何划分内存。

2.在并发情况下， 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来 分配内存的情况。

划分内存的方法：

• “指针碰撞”（Bump the Pointer）

如果Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内 存都放在一边，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，那所分配 内存就仅仅是把那个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”（Free List）

如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空 闲的内存相互交错，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 录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例， 并更新列表上的记录

解决并发问题的方法：

• CAS（compare and swap）

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来对分配内存空间的动作进行同步处理。

• 本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）

把内存分 配的动作按照线程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。

3.初始化

  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）， 如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作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

  在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、 实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。 HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分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。对象头的另外一部分是类型指针，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。

  初始化零值之后，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之中。

5.执行<init>方法

  执行<init>方法，即对象按照程序员的意愿进行初始化。对应到语言层面上讲，就是为属性赋值（注意，这与上面的赋零值不同，这是由程序员赋的值），和执行构造方法。