对象实例化内存布局与访问定位

对象实例化内存布局与访问定位

对象实例化

创建对象的方式

1. 使用new关键字 （调用无参或者有参构造器创建）
2. Class的newInstance方法（调用的是无参构造器，而且必须是Public修饰的构造器）
3. Constructor类的newInstance方法
4. clone方法，不调用构造器，对象需要实现Cloneable接口，默认为浅复制¹
5. 反序列化
6. 三方库利用asm字节码技术²，动态生成对象²

创建对象步骤

1. 判断对象对应的类是否加载 链接 初始化
   当虚拟机需要创建对象的时候，首先判断这个创建对象的指令的参数，能不能在常量池中找到对应的类的符号引用，并检查符号引用所代表的类是不是已经被加载 解析 初始化；如果没有，使用双亲委派模式，以ClassLoader 和报名+类名为key查找对应的class文件；如果找不到对应的class文件，抛出异常；如果找到，就将class文件加载到内存，生成Class类对象。

2. 分配内存

3.处理并发问题
创建对象是比较频繁的操作，如何保证创建新对象的线程安全性？有两种解决方式

• CAS
• TLAB

4. 初始化内存空间
   内存分配结束之后，申请到的空间的值不是固定的，所以拿到内存空间之后，还需要初始化内存空间，这一步将分配到的空间都初始化为0

5. 设置对象头
   JVM将对象所属类 对象的hashcode 对象的GC信息 锁信息这些数据 写入对象头

6. 执行init方法初始化
   这一步才是我们写Java代码感知到的初始化，也就是构造器。这一步开始初始化成员变量，执行实例代码块，调用构造器等等

对象内存分布

Java 对象在内存中通常由三部分组成（按顺序排列）：

• 对象头（Object Header）

• 实例数据（Instance Data）

• 对齐填充（Padding)
  

对象头

1. Mark Word

• 作用：存储对象自身的运行时数据

• 大小：32 位 JVM：4 字节；64 位 JVM：8 字节（开启指针压缩时为 4 字节）
  

• unused：未使用的区域。

• identity_hashcode：对象最原始的哈希值，就算重写hashcode()也不会改变。

• age：对象年龄。

• biased_lock：是否偏向锁。

• lock：锁标记位。

• ThreadID：持有锁资源的线程ID。

• epoch：偏向锁时间戳。

• ptr_to_lock_record：指向线程栈中lock_record的指针。

• ptr_to_heavyweight_monitor：指向堆中monitor对象的指针。

2. Klass Pointer（类型指针）

3. 数组长度（仅数组对象需要）

实例数据（Instance Data）

存储对象的所有字段值，排列顺序受以下规则影响：

1. 基本类型优先：按 long/double → int/float → short/char → byte/boolean 的顺序

2. 引用类型最后：所有引用类型（如 String, Object）放在末尾

3. 父类字段优先：父类的字段出现在子类之前

4. 紧凑排列策略：-XX:CompactFields=true（默认）允许子类窄字段插入父类空隙

对齐填充（Padding）

• 作用：确保对象总大小是 8 字节的倍数

• 原因：CPU 按块访问内存（通常 64 位系统按 8 字节对齐），对齐可提升访问效率

• 规则：对象头 + 实例数据 的总大小不是 8 的倍数时自动填充

访问定位

句柄访问（Handle）

工作流程

• 栈帧中的引用变量存储句柄池地址

• 通过句柄池地址找到句柄结构

• 句柄包含两个指针：

  • 实例数据指针 → 指向堆中对象实例

  • 类型数据指针 → 指向方法区类元数据

• 通过实例数据指针访问对象字段

优缺点

• 优点：对象移动安全：GC 移动对象时只需更新句柄中的实例指针，栈中引用不变；引用稳定：适合频繁移动对象的 GC 算法（如标记-整理）

• 缺点：性能损耗：每次访问需两次指针跳转（额外内存访问）；内存占用：句柄池消耗额外内存（通常 4-8 字节/对象）

直接指针访问（Direct Pointer）

工作流程

• 栈帧中的引用变量直接存储堆内存地址

• 通过地址直接访问对象头

• 对象头中的 Klass Pointer 指向方法区类元数据

• 直接访问对象字段数据

优缺点

• 优点：访问速度快：减少一次内存寻址（性能提升 20-30%）；内存紧凑：无句柄池开销，减少内存碎片

• 缺点：GC 复杂性：移动对象时需更新所有引用（需遍历栈、寄存器等）；依赖优化：需要高效的 GC 算法（如复制算法+卡表）

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1. 引用类型的属性（如对象、数组），浅复制仅复制指向该子对象/数组的内存地址（引用），而不是在内存中创建一个全新的副本；对于基本数据类型，浅复制会直接复制值本身。 ↩︎

2. 一个强大而底层的 Java 库，用于直接操作 Java 字节码（.class 文件） ↩︎ ↩︎