java類對象底層是如何創(chuàng)建的

0、前言

Java程序中 User user = new User();的代碼在執(zhí)行過程中，JVM究竟做了哪些工作？

1、Java類對象的創(chuàng)建過程

Java對象保存在內(nèi)存中時(shí)，主要由三部分組成：對象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、對齊填充字段，所以Java對象創(chuàng)建的過程實(shí)際上是對這三部分進(jìn)行配置、補(bǔ)充和初始化的過程。

注：對齊填充字段：在JVM中，要求對象占用內(nèi)存的大小應(yīng)該是8bit的倍數(shù)，這個(gè)信息是用來補(bǔ)齊8bit的，無其他作用

1.1、類加載檢查階段

虛擬機(jī)遇到一條new指令時(shí)，首先將去檢查這個(gè)指令的參數(shù)是否能在常量池中定位到這個(gè)類的符號引用，并且檢查這個(gè)符號引用所代表的類是否已被加載過、連接過和初始化過。如果沒有則必須先執(zhí)行相應(yīng)的類加載過程。

1.2、分配內(nèi)存

類加載檢查通過后，JVM將為新創(chuàng)建對象分配內(nèi)存。對象所需的內(nèi)存大小在類加載完成后便可以確定。所以，為對象分配內(nèi)存空間相當(dāng)于把確定大小的內(nèi)存從Java堆中劃分出來。分配方式有"指針碰撞"和"空閑列表"兩種，選擇哪種分配方式由Java堆是否規(guī)整決定，而Java堆是否規(guī)整又由所采用的垃圾收集器是否具有壓縮整理功能所決定（標(biāo)記-清楚不規(guī)整，標(biāo)記-整理和復(fù)制都是規(guī)整的）。

1. 指針碰撞

   適用場合：堆內(nèi)存規(guī)整（沒有內(nèi)存碎片）

   原理：用過的內(nèi)存放一邊，沒用過的內(nèi)存放一邊，中間有一個(gè)分界值指針，分配內(nèi)存時(shí)只需要向著沒用過的內(nèi)存方向?qū)⒃撝羔樢苿?dòng)對象確定內(nèi)存大小位置即可

   GC收集器：Serial、ParNew

2. 空閑列表

   適用場合：堆內(nèi)存不規(guī)整

   原理：JVM會維護(hù)一個(gè)列表，該列表會記錄哪些內(nèi)存塊是可用的，分配內(nèi)存時(shí)找一塊足夠大的內(nèi)存區(qū)域劃分給對象實(shí)例，最后更新內(nèi)存列表

   GC收集器：CMS

內(nèi)存分配的并發(fā)問題

堆內(nèi)存是線程共享的，所以在創(chuàng)建對象分配內(nèi)存的時(shí)候一個(gè)重要的問題就是線程安全問題。JVM采用以下兩種方式保證線程安全。

    1. CAS+失敗重試：CAS是樂觀鎖的一種實(shí)現(xiàn)方式。樂觀鎖，就是每次假設(shè)沒有沖突，不加鎖地去執(zhí)行操作。JVM采用CAS+失敗重試的方式保證更新操作的原子性。

    2. 線程本地分配緩存（TLAB）：JVM為每個(gè)線程預(yù)先在Eden區(qū)分配一小塊區(qū)域-線程本地分配緩存（TLAB），JVM在給線程中的對象分配內(nèi)存時(shí)，首先在  TLAB中劃分內(nèi)存。當(dāng)對象大于TLAB剩余內(nèi)存或者TLAB用盡時(shí)，JVM會再采用CAS+失敗重試當(dāng)方式分配內(nèi)存。

1.3、初始化零值

內(nèi)存分配完成后，虛擬機(jī)需要將分配到的內(nèi)存空間都初始化零值（不包括頭對象）。這一過程保證了Java的實(shí)例對象在JVM中可以不賦初始值就直接使用，程序能訪問這些字段的數(shù)據(jù)類型所對應(yīng)的零值。

1.4、設(shè)置頭對象

初始化零值后，JVM要對對象信息進(jìn)行必要的設(shè)置（與類的關(guān)聯(lián)關(guān)系、關(guān)聯(lián)類的元數(shù)據(jù)信息、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡），這些信息存在對象的對象頭中。

1.4.1、頭對象的形式

JVM中對象頭的方式有以下兩種（以32位JVM為例）

1.4.1.1、普通對象

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|                     Object Header (64 bits)                  |

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|        Mark Word (32 bits)         |    Klass Word (32 bits) |

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1.4.1.2、數(shù)組對象

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|                                                   Object Header (96 bits)                         |

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|     Mark Word(32bits)    |  Klass Word(32bits)   |  array length(32bits) |

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1.4.2、頭對象組成

    1. Mark Word

    2. 指向類的指針

    3. 數(shù)組長度（只有數(shù)組對象才有）

1.4.2.1、Mark Word

Mark Word記錄了對象和鎖有關(guān)的信息，當(dāng)這個(gè)對象被synchronized關(guān)鍵字當(dāng)成同步鎖時(shí)，圍繞這個(gè)鎖的一系列操作都和Mark Word有關(guān)。

Mark Word在32位JVM中的長度是32bit，在64位JVM中長度是64bit。

JVM一般是這樣使用鎖和Mark Word的：

    1，當(dāng)沒有被當(dāng)成鎖時(shí)，這就是一個(gè)普通的對象，Mark Word記錄對象的HashCode，鎖標(biāo)志位是01，是否偏向鎖那一位是0。

    2，當(dāng)對象被當(dāng)做同步鎖并有一個(gè)線程A搶到了鎖時(shí)，鎖標(biāo)志位還是01，但是否偏向鎖那一位改成1，前23bit記錄搶到鎖的線程id，表示進(jìn)入偏向鎖狀態(tài)。

    3，當(dāng)線程A再次試圖來獲得鎖時(shí)，JVM發(fā)現(xiàn)同步鎖對象的標(biāo)志位是01，是否偏向鎖是1，也就是偏向狀態(tài)，Mark Word中記錄的線程id就是線程A自己的id，表示線程A已經(jīng)獲得了這個(gè)偏向鎖，可以執(zhí)行同步鎖的代碼。

    4，當(dāng)線程B試圖獲得這個(gè)鎖時(shí)，JVM發(fā)現(xiàn)同步鎖處于偏向狀態(tài)，但是Mark Word中的線程id記錄的不是B，那么線程B會先用CAS操作試圖獲得鎖，這里的獲得鎖操作是有可能成功的，因?yàn)榫€程A一般不會自動(dòng)釋放偏向鎖。如果搶鎖成功，就把Mark Word里的線程id改為線程B的id，代表線程B獲得了這個(gè)偏向鎖，可以執(zhí)行同步鎖代碼。如果搶鎖失敗，則繼續(xù)執(zhí)行步驟5。

5，偏向鎖狀態(tài)搶鎖失敗，代表當(dāng)前鎖有一定的競爭，偏向鎖將升級為輕量級鎖。JVM會在當(dāng)前線程的線程棧中開辟一塊單獨(dú)的空間，里面保存指向?qū)ο箧iMark Word的指針，同時(shí)在對象鎖Mark Word中保存指向這片空間的指針。上述兩個(gè)保存操作都是CAS操作，如果保存成功，代表線程搶到了同步鎖，就把Mark Word中的鎖標(biāo)志位改成00，可以執(zhí)行同步鎖代碼。如果保存失敗，表示搶鎖失敗，競爭太激烈，繼續(xù)執(zhí)行步驟6。

    6，輕量級鎖搶鎖失敗，JVM會使用自旋鎖，自旋鎖不是一個(gè)鎖狀態(tài)，只是代表不斷的重試，嘗試搶鎖。從JDK1.7開始，自旋鎖默認(rèn)啟用，自旋次數(shù)由JVM決定。如果搶鎖成功則執(zhí)行同步鎖代碼，如果失敗則繼續(xù)執(zhí)行步驟7。

    7，自旋鎖重試之后如果搶鎖依然失敗，同步鎖會升級至重量級鎖，鎖標(biāo)志位改為10。在這個(gè)狀態(tài)下，未搶到鎖的線程都會被阻塞。

32位JVM中，Mark Word存儲示意：

其中無鎖和偏向鎖的鎖標(biāo)志位都是01，只是在前面的1bit區(qū)分了這是無鎖狀態(tài)還是偏向鎖狀態(tài)。

JDK1.6以后的版本在處理同步鎖時(shí)存在鎖升級的概念，JVM對于同步鎖的處理是從偏向鎖開始的，隨著競爭越來越激烈，處理方式從偏向鎖升級到輕量級鎖，最終升級到重量級鎖。

1.4.2.2、指向類的指針

該指針在32位JVM中的長度是32bit，在64位JVM中長度是64bit。

Java對象的類數(shù)據(jù)保存在方法區(qū)。

1.4.2.3、數(shù)組長度

只有數(shù)組對象保存了這部分?jǐn)?shù)據(jù)。

該數(shù)據(jù)在32位和64位JVM中長度都是32bit。

1.5、執(zhí)行init方法

上述過程執(zhí)行完，對象實(shí)例便已經(jīng)創(chuàng)建出來了，但是所有的成員變量（屬性字段）還都是零值。所以在new命令執(zhí)行完之后，還需要執(zhí)行方法對類的成員變量進(jìn)行初始化，至此一個(gè)類的實(shí)例對象就創(chuàng)建完成了。