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Java物件的創建程序

2021-04-11 06:14:24 後端開發

Java物件的創建程序

  1. 當Java虛擬機遇到一條位元組碼new指令時,首先會去檢查這個指令的引數是否能在常量池中定位到一個類的符號參考,并且檢查這個符號參考代表的類是否已經被加載、決議和初始化過,如果沒有,那必須先執行相應的類加載程序

  2. 在類加載檢查通過后,接下來虛擬機將為新生物件分配記憶體,物件所需記憶體的大小在類加載完成后便可完全確定,為物件分配空間的任務實際上便等同于把一塊確定大小的記憶體塊從Java堆中劃分出來,

  3. 記憶體分配完成后,虛擬機必須將分配到的記憶體空間(不包含物件頭)都初始化為零值(如果使用了TLAB的話,這一項作業也可以提前至TLAB分配時順便進行TLAB為本地執行緒分配緩沖 詳解可見下文),這步操作保證了物件的實體欄位在Java代碼中可以不賦初始值就直接使用,使程式能訪問到這些欄位的資料型別所對應的零值,

  4. 接下來,Java虛擬機還要對物件進行必要的設定,例如這個物件是哪個類的實體、如何才能找到類的元資料資訊、物件的哈希碼、物件的GC分代年齡等資訊,這些資訊保存在物件的物件頭中,根據虛擬機當前運行狀態的不同,如是否啟用偏向鎖等,物件頭會有不同的設定方式,

  5. 至此,從虛擬機的角度來看,一個新的物件已經產生,然而從Java程式的角度來看,物件創建才剛剛開始--->建構式,即Class檔案中的<init>()方法還沒有執行,所有的欄位都為默認的零值,物件需要的其他資源和狀態資訊也還沒有按照預定的意圖構造好,一般來說,new指令之后會接著執行<init>()方法,按照程式員的意愿對物件進行初始化,這樣一個真正可用的物件才算完全被構造出來,

類加載的執行程序

  1. 加載--主要是將.class檔案中的二進制位元組流讀入到新JVM中

    1. 通過類的全限定名獲取該類的二進制位元組流,
    2. 將位元組流所代表的靜態存盤結構轉化為方法區的運行時資料結構,
    3. 在記憶體中生成一個該類的java.lang.Class物件,作為方法區這個類的各種資料的訪問入口,
  2. 連接

    1. 驗證--確保加載進來的位元組流符合JVM規范
      • 檔案格式驗證
      • 元資料驗證,是否符合java語言規范
      • 位元組碼驗證,確保程式語意合法,符合邏輯
      • 符號參考驗證,確保下一步的決議能正常執行
    2. 準備--為靜態變數在方法區分配記憶體,并設定默認初始值
    3. 決議--虛擬機將常量池內的符號參考替換為直接參考
      符號參考:符號參考與虛擬機實作的布局無關,參考的目標并不一定要已經加載到記憶體中,各種虛擬機實作的記憶體布局各不相同,但是它們能接受的符號參考必須是一致的,因為符號參考的字面量形式明確定義在Java虛擬機規范的Class檔案格式中,
      直接參考:直接參考可以是指向目標的指標,相對偏移量或是一個能間接定位到目標的句柄,如果有了直接參考,那參考的目標必定已經在記憶體中存在,
  3. 初始化--標記為常量值的欄位賦值的程序,只對static修飾的變數或陳述句塊進行初始化,
    初始化階段是執行類構造器<client>方法的程序,<client>方法是由編譯器自動收集類中的類變數的賦值操作和靜態陳述句塊中的陳述句合并而成的,虛擬機會保證子<client>方法執行之前,父類的<client>方法已經執行完畢,如果一個類中沒有對靜態變數賦值也沒有靜態陳述句塊,那么編譯器可以不為這個類生成<client>()方法,

注意以下幾種情況不會執行類初始化:

  1. 通過子類參考父類的靜態欄位,只會觸發父類的初始化,而不會觸發子類的初始化,
  2. 定義物件陣列,不會觸發該類的初始化,
  3. 常量在編譯期間會存入呼叫類的常量池中,本質上并沒有直接參考定義常量的類,不會觸發定義常量所在的類,
  4. 通過類名獲取 Class 物件,不會觸發類的初始化,
  5. 通過 Class.forName 加載指定類時,如果指定引數 initialize 為 false 時,也不會觸發類初始化,其實這個引數是告訴虛擬機,是否要對類進行初始化,
  6. 通過 ClassLoader 默認的 loadClass 方法,也不會觸發初始化動作,

記憶體的分配方式

記憶體的分配方式有以下兩種:

  1. 指標碰撞
    假設堆中記憶體是絕對規整的,所有被使用過的記憶體都被放在一邊,空閑的記憶體放在另一邊,中間放著一個指標作為分界點的指示器,那所分配記憶體就僅僅是把那個指標向空閑空間方向挪動一段與物件大小相等的距離,
  2. 空閑串列
    如果堆中記憶體并不是規整的,已被使用的記憶體和空閑的記憶體相互交錯在一起,那就沒有辦法簡單地進行指標碰撞了,虛擬機就必須維護一個串列,記錄上哪些記憶體塊是可用的,在分配的時候從串列中找到一塊足夠大的空間劃分給物件實體,并更新串列上的記錄,

選擇哪種分配方式由Java堆是否規整決定,而Java堆是否規整又由采用的垃圾收集器是否帶有空間壓縮整理的能力決定,

因此,當使用Serial、ParNew等帶壓縮整理程序的收集器時,系統采用的分配演算法是指標碰撞,即簡單又高效,
而當使用CMS這種基于清除(Sweep)演算法的收集器時,理論上就只能采用較為復雜高效的空閑串列來分配記憶體,

指標碰撞方式存在的問題:
物件創建在虛擬機中是非常頻繁的行為,僅僅修改一個指標所指向的位置,在并發情況下也并不是執行緒安全的,
可能會出現正在給物件A分配記憶體,指標還沒來得及修改,物件B又同時使用了原來的指標來分配記憶體的情況,解決這個問題有兩種可選方案:

  1. 對分配記憶體空間的動作進行同步處理---實際上虛擬機是采用CAS配上失敗重試的方式保證更新操作的原子性,
  2. 把記憶體分配的動作按照執行緒劃分在不同的空間之中進行,即每個執行緒在Java堆中預先分配一小塊記憶體,稱為本地執行緒分配緩沖(TLAB),哪個執行緒要分配記憶體,就在哪個執行緒的本地緩沖區中分配,只有本地緩沖區用完了,分配新的緩沖區時才需要同步鎖定,

物件的記憶體布局

由于Java面向物件的思想,在JVM中需要大量存盤物件,存盤時為了實作一些額外的功能,需要在物件中添加一些標記欄位用于增強物件功能,這些標記欄位組成了物件頭,
Hotspot虛擬機的物件頭主要包括兩部分資料:Mark Word(標記欄位)、Klass Pointer(型別指標)
MarkWord:默認存盤物件的HashCode,分代年齡和鎖標志位資訊,這些資訊都是與物件自身定義無關的資料,所以Mark Word被設計成一個非固定的資料結構以便在極小的空間記憶體存盤盡量多的資料,它會根據物件的狀態復用自己的存盤空間,也就是說在運行期間Mark Word里存盤的資料會隨著鎖的標志位的變化而變化,
Klass Point:物件指向它的類元資料的指標,虛擬機通過這個指標來確定這個物件是哪個類的實體,

實體資料部分是物件真正存盤的有效資訊,即我們在程式代碼里面所定義的各種型別的欄位內容,無論是從父類繼承下來的還是在子類中定義的欄位都必須記錄起來,

對其填充不是必然存在的,也沒有特別的含義,它僅僅起占位符的作用,由于任何物件的大小都必須是8位元組的整數倍,如果物件實體資料部分沒有對齊的話,就需要通過對齊填充來補全,

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