JVM学习笔记（七）对象创建过程（下）
PS：上半部分我们已经讲解了对象创建时机，以及类加载机制，这里我们继续上次没讲完的部分讲解。上半部分链接如下：
https://blog.****.net/qq_37692087/article/details/84674525
java堆已有更详细的对象分配内存过程，这里大家可以看一下之前的博文，但我们还是简单的复习一下：
Java堆对象分配内存
在类加载检查通过之后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务具体便等同于一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。这时候有两种情况，一种是java堆中内存是绝对规整的，这个采用前面说到的指针碰撞，如果java堆中的内存并不规整，已使用的内存和空闲的内存相互交错，则使用“空闲列表”，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在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，并更新列表上的记录。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。因此在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的 收集器时（说明一下，CMS收集器可以通过UseCMSCompactAtFullCollection或 CMSFullGCsBeforeCompaction来整理内存），就通常采用空闲列表。
除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存。解决这个问题有两个方案，一种是对分配内存空间的动作进行同步——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另外一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲区，（TLAB ，Thread Local Allocation Buffer），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完，分配新的TLAB时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。
内存分配完成之后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB的话，这一个工作也可以提前至TLAB分配时进行。这步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
接下来，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在**对象的对象头（Object Header）之中。**根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
在上面工作都完成之后，在虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是在Java程序的视角看来，对象创建才刚刚开始——方法还没有执行，所有的字段都为零值。因此一般来说（由字节码中是否跟随有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全创建出来。
下面代码是HotSpot虚拟机bytecodeInterpreter.cpp中的代码片段（这个解释器实现很少机会实际使用，大部分平台上都使用模板解释器；当代码通过JIT编译器执行时差异就更大了。不过这段代码用于了解HotSpot的运作过程是没有什么问题的）。
//确保常量池中存放的是已解释的类
if(!constants->tag_at(index).is_unresolved_klass()){
//断言确保是klassOop和instanceKlassOop（这部分下一节介绍）
oop entry=（klassOop）*constants-＞obj_at_addr（index）;
assert（entry-＞is_klass（），"Should be resolved klass"）;
klassOop k_entry=（klassOop）entry;
assert（k_entry-＞klass_part（）-＞oop_is_instance（），"Should be instanceKlass"）;
instanceKlass * ik=（instanceKlass*）k_entry-＞klass_part（）;
//确保对象所属类型已经经过初始化阶段
if(ik->is_initialized()&&ik->can_be_fastpath_allocated())
{
//取对象长度
size_t obj_size=ik->size_helper();
oop result=NULL；
//记录是否需要将对象所有字段置零值
bool need_zero=!ZeroTLAB；
//是否在TLAB中分配对象
if(UseTLAB){
result=（oop）THREAD->tlab().allocate(obj_size);
}
if（result==NULL）{
need_zero=true；
//直接在eden中分配对象
retry：
HeapWord * compare_to=*Universe：heap（）-＞top_addr（）；
HeapWord * new_top=compare_to+obj_size；
/*cmpxchg是x86中的CAS指令，这里是一个C++方法，通过CAS方式分配空间，如果并发失败，
转到retry中重试，直至成功分配为止*/
if（new_top＜=*Universe：heap（）-＞end_addr（））{
if（Atomic：cmpxchg_ptr（new_top,Universe：heap（）-＞top_addr（），compare_to）！=compare_to）{
goto retry；
}
result=（oop）compare_to；
}
}
if（result！=NULL）{
//如果需要，则为对象初始化零值
if（need_zero）{
HeapWord * to_zero=（HeapWord*）result+sizeof（oopDesc）/oopSize；
obj_size-=sizeof（oopDesc）/oopSize；
if（obj_size＞0）{
memset（to_zero，0，obj_size * HeapWordSize）；
}
}
//根据是否启用偏向锁来设置对象头信息
if（UseBiasedLocking）{
result-＞set_mark（ik-＞prototype_header（））；
}else{
result-＞set_mark（markOopDesc：prototype（））；
}r
esult-＞set_klass_gap（0）；
result-＞set_klass（k_entry）；
//将对象引用入栈，继续执行下一条指令
SET_STACK_OBJECT（result，0）；
UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE（3，1）；
}
}
}
###对象的内存布局
HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。
HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（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，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了32位、64位Bitmap结构所能记录的限度，但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如，在32位的HotSpot虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态下，那么Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码，4bit用于存储对象分代年龄，2bit用于存储锁标志位，1bit固定为0，而在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）下对象的存储内容见表:
对象头的另外一部分是类型指针，即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。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身，这点将在下面讨论。
另外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。
代码清单为HotSpot虚拟机markOop.cpp中的代码（注释）片段，它描述了32bit下MarkWord的存储状态。
//Bit-format of an object header(most significant first,big endian layout below):
//32 bits:
//--------
//hash：25------------>|age：4 biased_lock：1 lock：2（normal object）
//JavaThread*：23 epoch：2 age：4 biased_lock：1 lock：2（biased object）
//size：32------------------------------------------>|（CMS free block）
//PromotedObject*：29---------->|promo_bits：3----->|（CMS promoted object）
接下来的实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true（默认为true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。
第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。
###对象的访问定位
建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。
如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息，如图:
如果使用直接指针访问，那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址，如图所示:
这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。就本书讨论的主要虚拟机Sun HotSpot而言，它是使用第二种方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。
###对象初始化的结构
当一个对象被创建时，虚拟机就会为其分配内存来存放对象自己的实例变量及其从父类继承过来的实例变量(即使这些从超类继承过来的实例变量有可能被隐藏也会被分配空间)。在为这些实例变量分配内存的同时，这些实例变量也会被赋予默认值(零值)。在内存分配完成之后，Java虚拟机就会开始对新创建的对象按照程序猿的意志进行初始化。在Java对象初始化过程中，主要涉及三种执行对象初始化的结构，分别是 实例变量初始化、实例代码块初始化 以及 构造函数初始化。
1、实例变量初始化与实例代码块初始化
我们在定义（声明）实例变量的同时，还可以直接对实例变量进行赋值或者使用实例代码块对其进行赋值。如果我们以这两种方式为实例变量进行初始化，那么它们将在构造函数执行之前完成这些初始化操作。实际上，如果我们对实例变量直接赋值或者使用实例代码块赋值，那么编译器会将其中的代码放到类的构造函数中去，并且这些代码会被放在对超类构造函数的调用语句之后(还记得吗？Java要求构造函数的第一条语句必须是超类构造函数的调用语句)，构造函数本身的代码之前。
public class InstanceVariableInitializer {
private int i = 1;
private int j = i + 1;
public InstanceVariableInitializer(int var){
System.out.println(i);
System.out.println(j);
this.i = var;
System.out.println(i);
System.out.println(j);
}
{ // 实例代码块
j += 3;
}
public static void main(String[] args) {
new InstanceVariableInitializer(8);
}
}/* Output:
1
5
8
5
*///:~
上面的例子正好印证了上面的结论。特别需要注意的是，Java是按照编程顺序来执行实例变量初始化器和实例初始化器中的代码的，并且不允许顺序靠前的实例代码块初始化在其后面定义的实例变量，比如：
public class InstanceInitializer {
{
j = i;
}
private int i = 1;
private int j;
}
public class InstanceInitializer {
private int j = i;
private int i = 1;
}
上面的这些代码都是无法通过编译的，编译器会抱怨说我们使用了一个未经定义的变量。之所以要这么做是为了保证一个变量在被使用之前已经被正确地初始化。但是我们仍然有办法绕过这种检查，比如：
public class InstanceInitializer {
private int j = getI();
private int i = 1;
public InstanceInitializer() {
i = 2;
}
private int getI() {
return i;
}
public static void main(String[] args) {
InstanceInitializer ii = new InstanceInitializer();
System.out.println(ii.j);
}
}
如果我们执行上面这段代码，那么会发现打印的结果是0。因此我们可以确信，变量j被赋予了i的默认值0，这一动作发生在实例变量i初始化之前和构造函数调用之前。
2、构造函数初始化
我们可以从上文知道，实例变量初始化与实例代码块初始化总是发生在构造函数初始化之前，那么我们下面着重看看构造函数初始化过程。众所周知，每一个Java中的对象都至少会有一个构造函数，如果我们没有显式定义构造函数，那么它将会有一个默认无参的构造函数。在编译生成的字节码中，这些构造函数会被命名成()方法，参数列表与Java语言书写的构造函数的参数列表相同。
我们知道，**Java要求在实例化类之前，必须先实例化其超类，以保证所创建实例的完整性。**事实上，这一点是在构造函数中保证的：Java强制要求Object对象(Object是Java的顶层对象，没有超类)之外的所有对象构造函数的第一条语句必须是超类构造函数的调用语句或者是类中定义的其他的构造函数，如果我们既没有调用其他的构造函数，也没有显式调用超类的构造函数，那么编译器会为我们自动生成一个对超类构造函数的调用，比如：
public class ConstructorExample {
}
对于上面代码中定义的类，我们观察编译之后的字节码，我们会发现编译器为我们生成一个构造函数，如下:
aload_0
invokespecial #8; //Method java/lang/Object."<init>":()V
return
上面代码的第二行就是调用Object类的默认构造函数的指令。也就是说，如果我们显式调用超类的构造函数，那么该调用必须放在构造函数所有代码的最前面，也就是必须是构造函数的第一条指令。正因为如此，Java才可以使得一个对象在初始化之前其所有的超类都被初始化完成，并保证创建一个完整的对象出来。
public class ConstructorExample {
private int i;
ConstructorExample() {
this(1);
....
}
ConstructorExample(int i) {
....
this.i = i;
....
}
}
对于这种情况，Java只允许在ConstructorExample(int i)内调用超类的构造函数，也就是说，下面两种情形的代码编译是无法通过的：
public class ConstructorExample {
private int i;
ConstructorExample() {
super();
this(1); // Error:Constructor call must be the first statement in a constructor
....
}
ConstructorExample(int i) {
....
this.i = i;
....
}
}
或者：
public class ConstructorExample {
private int i;
ConstructorExample() {
this(1);
super(); //Error: Constructor call must be the first statement in a constructor
....
}
ConstructorExample(int i) {
this.i = i;
}
}
Java通过对构造函数作出这种限制以便保证一个类的实例能够在被使用之前正确地初始化。
3、 小结
总而言之，实例化一个类的对象的过程是一个典型的递归过程，如下图所示。进一步地说，在实例化一个类的对象时，具体过程是这样的：
在准备实例化一个类的对象前，首先准备**实例化该类的父类，如果该类的父类还有父类，那么准备实例化该类的父类的父类，依次递归直到递归到Object类。**此时，**首先实例化Object类，再依次对以下各类进行实例化，直到完成对目标类的实例化。**具体而言，在实例化每个类时，都遵循如下顺序：先依次执行实例变量初始化和实例代码块初始化，再执行构造函数初始化。也就是说，编译器会将实例变量初始化和实例代码块初始化相关代码放到类的构造函数中去，并且这些代码会被放在对超类构造函数的调用语句之后，构造函数本身的代码之前。
4、实例变量初始化、实例代码块初始化以及构造函数初始化综合实例
//父类
class Foo {
int i = 1;
Foo() {
System.out.println(i); -----------(1)
int x = getValue();
System.out.println(x); -----------(2)
}
{
i = 2;
}
protected int getValue() {
return i;
}
}
//子类
class Bar extends Foo {
int j = 1;
Bar() {
j = 2;
}
{
j = 3;
}
@Override
protected int getValue() {
return j;
}
}
public class ConstructorExample {
public static void main(String... args) {
Bar bar = new Bar();
System.out.println(bar.getValue()); -----------(3)
}
}/* Output:
2
0
2
*///:~
根据上文所述的类实例化过程，我们可以将Foo类的构造函数和Bar类的构造函数等价地分别变为如下形式：
//Foo类构造函数的等价变换：
Foo() {
i = 1;
i = 2;
System.out.println(i);
int x = getValue();
System.out.println(x);
}
//Bar类构造函数的等价变换
Bar() {
Foo();
j = 1;
j = 3;
j = 2
}
这样程序就好看多了，我们一眼就可以观察出程序的输出结果。在通过使用Bar类的构造方法new一个Bar类的实例时，首先会调用Foo类构造函数，因此(1)处输出是2，这从Foo类构造函数的等价变换中可以直接看出。(2)处输出是0，为什么呢？因为在执行Foo的构造函数的过程中，由于Bar重写了Foo中的getValue方法，所以根据Java的多态特性可以知道（如果父类构造器调用了被子类重写的方法，且通过子类构造函数创建子类对象，调用了这个父类构造器（无论显示还是隐式），就会导致父类在构造时实际上调用的是子类覆盖的方法，）其调用的getValue方法是被Bar重写的那个getValue方法。但由于这时Bar的构造函数还没有被执行，因此此时j的值还是默认值0，因此(2)处输出是0。最后，在执行(3)处的代码时，**由于bar对象已经创建完成，所以此时再访问j的值时，就得到了其初始化后的值2，**这一点可以从Bar类构造函数的等价变换中直接看出。
3.总结
我们知道，JVM在为一个对象分配完内存之后，会给每一个实例变量赋予默认值，这个时候实例变量被第一次赋值，这个赋值过程是没有办法避免的。如果我们在声明实例变量x的同时对其进行了赋值操作，那么这个时候，这个实例变量就被第二次赋值了。如果我们在实例代码块中，又对变量x做了初始化操作，那么这个时候，这个实例变量就被第三次赋值了。如果我们在构造函数中，也对变量x做了初始化操作，那么这个时候，变量x就被第四次赋值。也就是说，在Java的对象初始化过程中，一个实例变量最多可以被初始化4次。
2、类的初始化过程与类的实例化过程的异同？
类的初始化是指类加载过程中的初始化阶段对类变量按照程序猿的意图进行赋值的过程；而类的实例化是指在类完全加载到内存中后创建对象的过程。
3、假如一个类还未加载到内存中，那么在创建一个该类的实例时，具体过程是怎样的？
总的来说，类实例化的一般过程是：父类的类构造器() -> 子类的类构造器() -> 父类的成员变量和实例代码块 -> 父类的构造函数 -> 子类的成员变量和实例代码块 -> 子类的构造函数。