1 对象实例化的过程

概览

创建对象的方式

new：最常见的方式、Xxx 的静态方法，XxxBuilder/XxxFactory 的静态方法
Class 的 newInstance 方法：反射的方式，只能调用空参的构造器，权限必须是 public
Constructor 的 newInstance(XXX)：反射的方式，可以调用空参、带参的构造器，权限没有要求
使用 clone()：不调用任何的构造器，要求当前的类需要实现 Cloneable 接口，实现 clone()
使用序列化：从文件中、从网络中获取一个对象的二进制流
第三方库 Objenesis

创建对象的步骤

前面所述是从字节码角度看待对象的创建过程，现在从执行步骤的角度来分析：

Step1 判断对象对应的类是否加载、链接、初始化

虚拟机遇到一条 new 指令，首先去检查这个指令的参数能否在 Metaspace 的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经被加载，解析和初始化（即判断类元信息是否存在）。

如果没有，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以 ClassLoader + 包名 + 类名为 key 进行查找对应的 .class 文件；

如果没有找到文件，则抛出 ClassNotFoundException 异常
如果找到，则进行类加载，并生成对应的 Class 对象

Step2 为对象分配内存

首先计算对象占用空间的大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即 4 个字节大小。

如果内存规整：虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Point）来为对象分配内存。意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存放另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针指向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。

如果垃圾收集器选择的是 Serial ，ParNew 这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。一般使用带 Compact（整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。

如果内存不规整：虚拟机需要维护一个空闲列表（Free List）来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上那些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。

已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表来为对象分配内存。

选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整所决定，而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

Step3 处理并发问题

采用 CAS 失败重试、区域加锁保证更新的原子性。
每个线程预先分配一块 TLAB：通过设置 -XX:+UseTLAB参数来设定
注意：这一步骤和Step2是一起的，即在对象分配内存的过程中就要处理并发的问题。

Step4 初始化分配到的内存

所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值时可以直接使用

Step5 设置对象的对象头

将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的 HashCode 和对象的 GC 信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于 JVM 实现。

Step6 执行 init 方法进行显性初始化

在 Java 程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量。

因此一般来说（由字节码中跟随 invokespecial 指令所决定），new 指令之后会接着就是执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完成创建出来。

扩展：属性赋值的先后顺序：类型默认初始化（int值为0）（第一步）->显示初始化值和代码块顺序执行（第二步）->构造器中初始化（第三步）->方法手动更改设置

//例子
public class Person{
	int age=21;//第二步
	{
		age=22;//第二步：显示初始化和代码块内顺序执行，谁先在前面谁先执行
	}
	Person(){
		age=3;//第三步
	}
}

总结：对象实例化的过程

加载类元信息
为对象分配内存
处理并发问题
属性的默认初始化（零值初始化）
设置对象头信息
属性的显示初始化、代码块中初始化、构造器中初始化

简记：加载类元信息（加）->内存分配（内）->并发问题处理（并->特）->属性零值初始化（零值->光）->对象头设置（头）->init初始化包括属性显示初始化&代码块中初始化&构造器中初始化（显性）

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3

对象在 JVM 中是怎么存储的？
对象头信息里面有哪些东西？
Java 对象头有什么？

2 对象在堆内存中的存储布局

概览

对象内部结构分为：对象头、实例数据、对齐填充（保证8个字节的倍数）。对象，HI，Padding。Header、InstanceData、Padding，其中Header=>MK：MarkWord+KlassPointer。

参考文章：对象在堆内存的存储布局

语句：Object obj=new Object();在内存里面创建的空Object对象占据16个字节数据。
如果类存在继承，父类的实例属性会出现在当前类实例数据的最前面。

对象头有多大

普通的Java对象头包含对象标记（Mark Word）和类型指针。在64位系统中，MarkWord占了8个字节，类型指针占了8个字节，一共16个字节。
如果是数组对象，还需要记录数组的长度（4个Byte字节位置）。

对象标记MarkWord

HGL对象头默认存储：哈希值（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等信息。这些信息都是与对象自身定义无关的，所以MarkWord被设计成了一个非固定的数据结果以便在极小的空间内存储尽量多的数据。
具体存储的信息还会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间MarkWord里存储的数据会随着锁标志位变化而变化。关于JVM锁升级就是更改的Header里面MarkWord各个标志位。
在64位系统中，MarkWord占了64Bit，合计8 Byte。

类型指针KlassPointer

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

实例数据（Instance Data）

它是对象真正存储的有效信息，包括程序代码中定义的各种类型的属性字段（Field）数据信息，也包括从父类继承下来的和本身拥有的字段。

相同宽度的字段总是被分配在一起
父类中定义的变量会出现在子类之前
各个变量的实例占据空间：引用类型（包括String、数组）：4bytes；int：4bytes；long：8bytes
如果 CompactFields 参数为 true（默认为 true）：子类的窄变量可能插入到父类变量的空隙
如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

对齐填充（Padding）

虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。
填充数据不是必须存在的仅仅是为了字节对齐。这部分内存按8字节补充对齐。不是必须的，也没有特别的含义，仅仅起到占位符的作用。

案例与图示

案例1：计算各对象的对象头大小

//1 前提
<!--JAVA object layout。官网:http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jol/。定位:分析对象在JVM的大小和分布 -->
<dependency>
	<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
	<artifactId>jol-core</artifactId>
	<version>0.9</version>
</dependency>

//2 JVM前提
JVM需要去掉自动开启压缩指针功能：-XX:-UseCompressedClassPointers
 
 //测试3：测试单个对象的内存布局
 public class test {
    public static void main(String[] args) {
        Student student= new Student();
        student.hashCode();
        student.age=20;
        student.name="Fly";
        student.id=123;
        student.neighbor=new Student();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(student).toPrintable());
    }
}
class Student {
    public int age;
    public long id;
    public Student neighbor;
    public String name;
}
//结果：解析可再见下方截图


//测试4：测试数组的内存布局
 public class test {
    public static void main(String[] args) {
        Student[] student= new Student[3];
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(student).toPrintable());
    }
 }
//结果：解析可再见下方截图
[Lfly.Student; object internals:
 OFFSET  SIZE          TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4               (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4               (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4               (object header)                           80 39 b9 fb (10000000 00111001 10111001 11111011) (-71747200)
     12     4               (object header)                           cd 01 00 00 (11001101 00000001 00000000 00000000) (461)
     16     4               (object header)                           03 00 00 00 (00000011 00000000 00000000 00000000) (3)
     20     4               (alignment/padding gap)                  
     24    12   fly.Student Student;.<elements>                       N/A
     36     4               (loss due to the next object alignment)
Instance size: 40 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 4 bytes external = 8 bytes total

//测试5：单独new Object()空对象占据16个Byte.
public class test {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj=new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }
}
//结果
java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           00 1c 4b c4 (00000000 00011100 01001011 11000100) (-1001710592)
     12     4        (object header)                           34 02 00 00 (00110100 00000010 00000000 00000000) (564)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

//测试6：关于继承的关系说明
public class test {
    public static void main(String[] args) {
        Teacher teacher=new Teacher("Fly",new Teacher());
        System.out.println(teacher.HEIGHT);
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(teacher).toPrintable());
    }
}
class Teacher extends Person{
    public int age;
    public Teacher neighbor;
    public Teacher(){

    }
    public Teacher(String name,Teacher neighbor) {
        this.age = age;
        this.neighbor = neighbor;
    }
}
class Person{
    public static final int HEIGHT=14;
    public int age;
}

//结果
14
fly.Teacher object internals:
 OFFSET  SIZE          TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4               (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4               (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4               (object header)                           18 3b ba 7c (00011000 00111011 10111010 01111100) (2092579608)
     12     4               (object header)                           59 02 00 00 (01011001 00000010 00000000 00000000) (601)
     16     4           int Person.age                                0
     20     4           int Teacher.age                               0
     24     4   fly.Teacher Teacher.neighbor                          (object)
     28     4               (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

上方的截图说明

演示多类继承的对象内存效果

辅助上面打印的日志说明

关于面向对象的多态与继承问题分析

扩展：从面向对象的角度分析（详见文档面向对象三大特性）

多态分为编译阶段和运行阶段，若编译时类型和运行时类型不一致，就出现了对象的多态性

多态只针对子类重写的方法有效，在编译的时候，编译器看左边（所以在编译的时候变量就不能再访问子类中添加的属性和方法，编译器通不过），运行的时候解释器看右边。

一定要注意：是子类重写的方法，如果子类有可变参数格式一样的但不是重写的，也不能访问。
2. 对于成员变量（属性），其不具备多态性。此时访问和使用属性，编译运行均看左边的类型。added on 2023-04-04

例子：类Person有属性name，方法sayHello()，其子类Student也有同名的name和重写的sayHello()方法。如果Person p=new Student();此时p.name在运行时调用的是Person类的

name（因为属性没有多态），p.sayHello()在运行时调用的是Student子类的sayHello（只有方法才有多态性）。特别需要说的是：Person p=new Student();该语句变量p实际生成的是

Student对象，那么Student对象里面的所有属性和方法都在内存里，部分属性p不能使用到是因为编译器通不过的问题，不是内存的问题。

子类中定义了与父类同名同参数的方法，在多态情况下，将此时父类的方法称为虚拟方法，父类根据赋给它的不同子类对象，动态调用属于子类的该方法。

即：对于多态，只有等到方法调用的那一刻，解释运行器才会确定所要调用的具体方法，这称为“晚绑定”或”动态绑定”。

多态是编译时行为还是运行时行为？答案：运行时。

案例2

public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;
    {
        name = "匿名客户";
    }
    public Customer() {
        acct = new Account();
    }
}
public class CustomerTest{
    public static void main(string[] args){
        Customer cust=new Customer();
    }
}

如上的类在JVM内存分布的情况示意图

补充：对象大小的计算（深堆和浅堆）

补充：浅堆深堆与内存泄露

3 对象的访问定位

3.1 概览

JVM 是如何通过栈帧中的对象引用访问到其内部的对象实例呢？

3.2 句柄访问

reference 中存储稳定句柄地址，对象被移动（垃圾收集时移动对象很普遍）时只会改变句柄中实例数据指针即可，reference 本身不需要被修改

3.3 直接指针（HotSpot 采用）

直接指针是局部变量表中的引用，直接指向堆中的实例，在对象实例中有类型指针，指向的是方法区中的对象类型数据

4 直接内存（Direct Memory）

4.1 直接内存概述

不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java 虚拟机规范》中定义的内存区域。直接内存是在 Java 堆外的、直接向系统申请的内存区间。来源于 NIO，通过存在堆中的 DirectByteBuffer 操作 Native 内存。通常，访问直接内存的速度会优于 Java 堆，即读写性能高。

因此出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存。
Java 的 NIO 库允许 Java 程序使用直接内存，用于数据缓冲区

4.2 非直接缓存区(使用IO)

使用 IO 读写文件，需要与磁盘交互，需要由用户态切换到内核态。在内核态时，需要两份内存存储重复数据，效率低。

4.3 直接缓存区(使用NIO)

使用 NIO 时，操作系统划出的直接缓存区可以被 java 代码直接访问，只有一份。NIO 适合对大文件的读写操作。

也可能导致 OutOfMemoryError 异常

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory
    at java.nio.Bits.reserveMemory(Bits.java:693)
    at java.nio.DirectByteBuffer.<init>(DirectByteBuffer.java:123)
    at java.nio.ByteBuffer.allocateDirect(ByteBuffer.java:311)
    at com.atguigu.java.BufferTest2.main(BufferTest2.java:20)

由于直接内存在 Java 堆外，因此它的大小不会直接受限于-Xmx 指定的最大堆大小，但是系统内存是有限的，Java 堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。

分配回收成本较高
不受 JVM 内存回收管理

直接内存大小可以通过MaxDirectMemorySize设置。如果不指定，默认与堆的最大值-Xmx 参数值一致

java的进程空间约等于=java的堆空间+本地内存（虚拟机栈等空间太小，此处忽略）

进学阁

08 对象在内存中的动静形态