JVM對象創建全流程解析

一、JVM對象創建流程

在這里插入圖片描述

Ⅰ、類加載檢查——JVM創建對象時先檢查類是否加載

在虛擬機遇到new指令時，比如new關鍵字、對象克隆、對象序列化時，如下字節碼

0: new           #2                  // class com/example/demo/Calculate

檢查指令的參數（#2）是否能在常量池中定位到一個類的符號引用

常量池：
Constant pool:#1 = Methodref          #7.#27         // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Class              #28            // my/Calculate#3 = Methodref          #2.#27         // my/Calculate."<init>":()V#4 = Fieldref           #29.#30        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;#5 = Methodref          #2.#31         // my/Calculate.compute:()I#6 = Methodref          #32.#33        // java/io/PrintStream.println:(I)V#7 = Class              #34            // java/lang/Object#8 = Utf8               <init>#9 = Utf8               ()V#10 = Utf8               Code#11 = Utf8               LineNumberTable#12 = Utf8               LocalVariableTable#13 = Utf8               this#14 = Utf8               Lmy/Calculate;#15 = Utf8               compute#16 = Utf8               ()I#17 = Utf8               a#18 = Utf8               I#19 = Utf8               b#20 = Utf8               main#21 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V#22 = Utf8               args#23 = Utf8               [Ljava/lang/String;#24 = Utf8               calculate#25 = Utf8               SourceFile#26 = Utf8               Calculate.java#27 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V#28 = Utf8               my/Calculate#29 = Class              #35            // java/lang/System#30 = NameAndType        #36:#37        // out:Ljava/io/PrintStream;#31 = NameAndType        #15:#16        // compute:()I#32 = Class              #38            // java/io/PrintStream#33 = NameAndType        #39:#40        // println:(I)V#34 = Utf8               java/lang/Object#35 = Utf8               java/lang/System#36 = Utf8               out#37 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;#38 = Utf8               java/io/PrintStream#39 = Utf8               println#40 = Utf8               (I)V

檢查符號引用代表的類是否已經被加載、校驗、準備、解析和初始化，如果沒有加載，通過類加載機制加載類。

Ⅱ、分配內存——創建對象的一大工作就是分配內存

由于類一旦被加載，就可知該類對象所占內存空間（因為對象頭大小、屬性-每個類型占用多少字節是固定的）

為對象分配內存，就是從堆或者棧（一般是堆）中為分配一塊確定大小的空間

劃分內存的方式——通過指針碰撞或者空閑列表的方式分配內存空間：

指針碰撞：默認使用的方式，通過一個指針標識當前已經使用到位置，指針一側是已分配的空間、另一次是未使用的空閑內存，通過指針移動對象所需空間大小來分配內存。要求java堆內存絕對規整，已用空間分配在一側。
空閑列表：通過維護一張空閑列表維護空閑空間的初始位置和塊大小，通過在空閑列表尋找可用的內存塊（對象所需空間>空閑塊時，該空閑塊不可用），分配并更新空閑列表。

并發分配問題——在分配內存的時必然存在多個線程為對象在堆中分配空間（堆是線程共享的區域），就是存在并發分配內存的問題，解決方法：

CAS鎖+失敗重試：CAS-Compare And Swap
TLAB：本地線程分配緩存-Thread Local Allocate Buffer，先為每個線程在java堆中分配一塊空間，當為該線程的對象分配內存時，先從預分配內存中進行分配（打破了線程競爭同一塊堆空間的問題）

-XX:+UseTLAB（默認開啟）、-XX:TLABSize設定預分配內存空間大小

Ⅲ、初始化——為分配給對象的內存空間賦0值，不包括對象頭

如果是TLAB（本地線程分配緩存）的分配方式，則初始化提前到為每個線程在java堆中分配一塊空間時進行。

這一過程使java的實例變量和類變量可以在不賦初始值就可使用，只是訪問出的是該類型的0值。

對于基本數據類型（如 int、double、char 等），如果沒有顯式初始化，它們的默認值如下：

int 類型的變量默認值為 0。
double 類型的變量默認值為 0.0。
char 類型的變量默認值為 '\u0000'（即空字符）。

public class Person {int age; // 沒有初始化，默認為0String name; // 沒有初始化，默認為null
}
Person person = new Person();
System.out.println(person.age); // 輸出 0
System.out.println(person.name); // 輸出 null

對于對象引用類型（如類、接口、數組等），如果沒有顯式初始化，它們的默認值是 null。
局部變量：在Java中，局部變量（在方法內部聲明的變量）如果不初始化就直接使用，編譯器會報錯，因為局部變量在使用前必須顯式初始化。

public void test() {int x; // 編譯錯誤：局部變量x可能尚未初始化System.out.println(x);
}

Ⅳ、設置對象頭

對象

對象頭
- 標記字段（Mark Word)：占用內存視操作系統，32位的占4字節（32bit），64位的占8字節（64bit），包括鎖標志位、對象的hashcode、分代年齡、偏向線程ID、偏向鎖時間戳（Epoch）、鎖指針。鎖標志位內容不同則保存的對象信息不同。
- 類型指針（Klass Pointer）：占用內存視是否開啟指針壓縮，開啟指針壓縮占用4字節，不開啟占用8字節，默認開啟。是指向元空間中類的元數據信息的指針，JVM通過這個指針判斷該對象是哪個類的實例。
- 數組長度（如果對象是數組類型）：如果對象是數據類型，存儲數組長度，占用4字節。
實例數據
對齊填充

以下表格是32位的操作系統下默認開啟指針壓縮的對象頭：

標記字段的結構					類型指針
25bit		4bit	1bit	2bit	4字節
23bit	2bit		是否偏向鎖	鎖標志位
對象的哈希碼		分代年齡	0	01（無鎖）
線程ID:持有偏向鎖的線程ID，標識哪個線程偏向該對象	Epoch：偏向鎖的時間戳，用于批量撤銷偏向鎖	分代年齡	1	01（無鎖）
指向棧中鎖記錄的指針				00（輕量級鎖）
指向重量級鎖指針（操作系統級互斥鎖）				10（重量級鎖）
空				11（GC標記，表示對象待回收，由GC算法確定）

Ⅴ、執行方法

執行方法，按照程序員的意愿進行初始化，為屬性賦值（賦程序員給的值）和執行構造方法。

二、查看對象大小和指針壓縮

1、查看對象的內存布局

引入依賴

        <dependency><groupId>org.openjdk.jol</groupId><artifactId>jol-core</artifactId><version>0.17</version></dependency>

示例代碼

package com.example.demo;import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;/*** 計算對象大小*/
public class JOLSample {public static void main(String[] args) {ClassLayout layout2 = ClassLayout.parseInstance(new A());System.out.println(layout2.toPrintable());}// ‐XX:+UseCompressedOops 默認開啟的壓縮所有指針// ‐XX:+UseCompressedClassPointers 默認開啟的壓縮對象頭里的類型指針Klass Pointer// Oops : Ordinary Object Pointerspublic static class A {//8B mark word//4B Klass Pointer 如果關閉壓縮‐XX:‐UseCompressedClassPointers或‐XX:‐UseCompressedOops，則占用8Bint id; //4BString name; //4B 如果關閉壓縮‐XX:‐UseCompressedOops，則占用8Bbyte b; //1BObject o; //4B 如果關閉壓縮‐XX:‐UseCompressedOops，則占用8B}
}

在64位操作系統上的執行結果（默認開啟指針壓縮）：

在這里插入圖片描述

關閉指針壓縮后，引用類型占用的空間變成8字節：

在這里插入圖片描述

根據提供的 JOL（Java Object Layout）輸出，以下是 com.example.demo.JOLSample$A 對象的內存布局分析：

對象頭（Object Header）
- Mark Word（標記字）：
  - 偏移量：0，大小：8 字節
  - 值：0x0000000000000005
  - 含義：表示對象處于 可偏向狀態（biasable），分代年齡為 0（age: 0），存儲鎖、GC 狀態等信息。
- Klass Word（類指針）：
  - 偏移量：8，大小：4 字節
  - 值：0xf800cf18
  - 含義：指向類元數據的指針（JVM 開啟指針壓縮后為 4 字節）。
實例字段（Instance Fields）
- int id：
  - 偏移量：12，大小：4 字節
  - 值：0（默認初始值）。
- byte b：
  - 偏移量：16，大小：1 字節
  - 值：0（默認初始值）。
- 對齊填充（Padding Gap）：
  - 偏移量：17，大小：3 字節
  - 原因：下一個字段 String name 需對齊到 4 字節邊界（20 是 4 的倍數），因此在 byte b 后填充 3 字節。
- String name：
  - 偏移量：20，大小：4 字節
  - 值：null（引用類型，指針壓縮后占 4 字節）。
- Object o：
  - 偏移量：24，大小：4 字節
  - 值：null（引用類型）。
對象對齊填充（Object Alignment Gap）
- 偏移量：28，大小：4 字節
- 原因：對象總大小需對齊至 8 字節（64 位 JVM 的默認對齊）。當前已用 28 字節（0~27），需填充至 32 字節（28 + 4 = 32）。

關鍵指標

實例總大小（Instance Size）：32 字節。
空間損失（Space Losses）：
- 內部（Internal）：3 字節（字段間填充）。
- 外部（External）：4 字節（對象末尾填充）。
- 總計損失：7 字節。

內存布局圖示

偏移量	大小（字節）	內容	說明
0	8	Mark Word	鎖、GC 狀態等
8	4	Klass Word	類元數據指針
12	4	`int id`	整型字段
16	1	`byte b`	字節字段
17	3	對齊填充	補齊至 4 字節邊界
20	4	`String name`	字符串引用（`null`）
24	4	`Object o`	對象引用（`null`）
28	4	對象對齊填充	補齊至 8 字節邊界

總結

對象頭占 12 字節（8 + 4），字段數據占 13 字節（4 + 1 + 4 + 4），但實際占用 20 字節（含內部填充）。
JVM 通過填充確保字段對齊和對象對齊，提高內存訪問效率。
優化建議：若需減少空間，可調整字段順序（如將 byte b 放在末尾），但 JVM 會自動重排，通常無需手動干預。