【对象实例化】入门知识点详解

对象实例化这部分理论和实践都很重要。虽然这部分内容不难理解，但是若想要彻底理解对象实例化的全过程仍需要对JVM有很深的理解。希望大家先把本章节涉及的基础部分吃透，然后根据自己能力自行深入挖掘，这样才能在面试中展现出自己的亮点。
下面先以问答的形式给出本节的线索，大家学习完本节后可以自问自答，检测下学习效果：

• 什么是对象实例化？
• 什么条件下才能执行对象实例化？
• 对象实例化大致分为哪些步骤？
• 对象的内存布局如何安排？
• 通过访问对象都能获取什么信息？
• 能讲讲Java-HelloWorld的全过程都发生了什么操作？
   

3.1知识点入门理解

3.1.1 原理解释

3.1.1.1 什么是对象实例化？

对象实例化有别与类加载。类具有抽象概念，加载了一个类的class文件将在内存的方法区中生成唯一的一个Class对象。而对象实例化一般将在堆中生成一个该类的实体，这个实体是我们实际接触和操作的目标。对象实例化最直观的体现如下：

Apple apple = new Apple();
apple.setColor("Red");

显然，new关键字导致了Apple类产生了一个实例化的对象。
 

3.1.1.2 对象实例化后保存在内存中的什么位置？

对象实例化后一般保存在堆中。堆的概念在JVM内存模型篇中已详细叙述，这里再举一个例子。堆可以理解为“垃圾”堆，从某种意义上来说，JVM主要在堆中进行垃圾回收。然而，随着JVM的迭代优化，有一些特殊情况使得实例化后的对象并不保存在堆空间上，当涉及JIT与栈上分配时就不会发生对象在堆空间分配内存。JIT相关内容在类加载章节中已有介绍，忘记的同学可以回顾下。
 

3.1.2 对象实例化过程

对象实例化大致过程如下：

• 类加载检查
• 分配内存
• 初始化零值
• 设置对象头
• 执行init方法

下面分阶段一一进行介绍。

3.1.2.1 类加载检查

实例化目标类前需要完成类加载，这是执行实例化的必要前提。当虚拟机执行new指令时，必须通过下面全部检查：

• 指令涉及的参数是否可在常量池中定位到相关符号引用
• 该符号引用对应的类是否完成类加载

这里再简单回顾下类加载的过程。

• 加载
  • 通过类的全限定名搜索类文件，获取其存储的二进制字节流；
  • 将二进制字节流所存储的静态结构加载到方法区中作为运行时结构；
  • 在内存中生成一个Class对象作为静态结构的代理；
• 连接
  • 验证
    • 文件格式验证
    • 元数据验证
    • 字节码验证
    • 符号引用验证
  • 准备
    • 分配内存
    • 类变量初始化
  • 解析
    • 目标：类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符
• 初始化
  • 执行类构造器 ()方法的过程
     

3.1.2.2 分配内存

对象实例化需要为对象在内存上的分配空间，这就引起了以下几个子问题：

• Q1：在哪为对象分配内存？
• Q2：为对象分配多少内存？
• Q3：为对象分配内存时有哪些策略？

Q1解答

对象一般在堆空间分配空间。根据不同的GC策略，刚创建的对象所处位置略有不同。

以Serial、ParNew和ParallelScanage为代表的新生代垃圾回收器，其新生代内存空间无论是物理层面还是逻辑层面都具有连续的特性。新创建的对象进入Eden区，大部分对象都具有朝生夕灭的特点，少部分对象在经过晋升移动到老年代。当新建对象过大或被判定为长期存活的对象可能直接进入老年代，因此对象未必直接进入新生代的Eden区。

而采用G1作为垃圾回收器时，新生代和老年代空间未必物理连续，但是仍旧有新生代和老年代的概念，普通对象仍旧在E区进行内存分配，而大对象和长期存活的对象在O区进行内存分配。这里如果有同学对GC部分的内容不理解，可以暂时跳过，等看完GC部分的章节再回来理解。
 

Q2解答

为对象分配多少内存这个问题具有唯一确定的解。对象分配需要多大内存空间在类加载完成后就已经确定了。对象所需空间不会因为不同对象属性值的不同而发生改变。
 

Q3解答

在执行内存分配时一般有两种策略：

• 指针碰撞
• 空闲列表

采用指针碰撞时，利用一个指针作为已划分内存和未划分内存的分界点，通过不断移动指针记录未划分内存的起始地址。如下图，虚线填充部分表示该部分内存已分配：

 
空闲列表则应用于堆内存空间不连续的场景。虚拟机只能通过维护可用内存的列表记录可用内存。如下图，虚线填充部分表示该部分内存已分配，通过访问列表的record项可知哪块内存可用。

两种策略的选择很大程度上依赖Java堆是否规整：

• 例如，serial和paraNew自带标记整理，适用于指针碰撞。既然前面两种垃圾回收器保证对堆内存进行整理，那么堆空间必然可以分为已使用部分和未使用部分，分割点即为一个指针。
• 例如，CMS基于标记清除，适用于空闲列表分配内存。因为CMS本身不能对堆空间进行整理，所以可能存在内存碎片化的情况，导致查找和分配内存的复杂度较高。为了在分配内存时提高效率，不对堆空间全局扫描查找可用的内存空间，而采用预分配的思想从本地列表中查找可用内存。
   

3.1.2.3 初始化零值

内存分配完毕后，虚拟机将对该对象执行初始化。执行初始化是为了避免业务代码不显式赋值也能正常取值（通常是零值或false）。这里需要和类加载中的初始化注意区分，关键在于类加载中的设置目标是静态变量，即所有对象公有的变量；而对象实例化中，初始化的设置目标为类的成员变量。若在TLAB内分配内存，则初始化时机在分配TLAB内存时。

TLAB，全称Thread Local Allocation Buffer。JVM利用该结构为每一个线程预先在Eden区分配小部分内存（默认为Eden区大小的1%）。

当JVM执行内存分配时，优先在TLAB分配；当对象大于TLAB中的剩余内存或TLAB的内存已用尽时，再采用CAS进行内存分配。由于很多对象过小或存活时间过短，适合被快速被GC回收，所以小对象通常JVM会优先分配在TLAB。此外，TLAB上的分配由于是线程私有所以没有加锁解锁的开销，也避免锁竞争的发生。

下面简单看一下TLAB的实现源码：

class ThreadLocalAllocBuffer: public CHeapObj<mtThread> {
  friend class VMStructs;
private:
  HeapWord* _start;                 // address of TLAB
  HeapWord* _top;                   // address after last allocation
  HeapWord* _pf_top;                // allocation prefetch watermark
  HeapWord* _end;                   // allocation end (excluding alignment_reserve)
  size_t    _desired_size;