设置对象头过程介绍

在JVM中，当通过 new 指令为一个对象成功分配内存并完成零值初始化之后，接下来的一个重要步骤就是设置对象头（Object Header）。对象头是存放在对象实例内存区域起始位置的一块元数据，它不包含对象的实例数据（即字段值），而是存储了对象自身的一些状态信息和指向其类型信息的指针。

对象头的结构和内容会根据JVM的实现、对象的类型（是否为数组）、以及对象所处的状态（如锁状态）而有所不同。以HotSpot虚拟机为例，其对象头通常包含以下两部分或三部分信息（取决于是否为数组对象）：

  1. Mark Word（标记字）：

    • 这部分数据用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄（Generational GC Age）、锁状态标志、线程持有的锁（偏向锁的线程ID、轻量级锁指针）、重量级锁指针（指向monitor对象的指针）等。
    • Mark Word的设计是动态的，它会根据对象的状态复用自己的存储空间来存储不同的信息。例如：
      • 无锁状态：存储对象的哈希码、GC分代年龄、是否偏向锁（0或1）等。
      • 偏向锁状态：存储持有偏向锁的线程ID、Epoch、GC分代年龄、偏向锁标志位（1）。
      • 轻量级锁状态：存储指向线程栈中锁记录（Lock Record）的指针、锁标志位（00）。
      • 重量级锁状态：存储指向互斥量（Monitor）的指针、锁标志位（10）。
      • GC标记状态：在GC期间，Mark Word也可能被用于存储GC相关信息。
    • Mark Word的位数在32位JVM中是32位（4字节），在64位JVM中是64位（8字节）。

  2. Klass Pointer（类型指针，或称元数据指针）：

    • 这部分数据是一个指针，指向该对象所属的类在方法区（或元空间）中的元数据（Klass对象）。虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例，从而能够访问到类的字段信息、方法信息、父类信息等。
    • 如果开启了压缩类指针（Compressed Class Pointers，在64位JVM中通常默认开启，通过 -XX:+UseCompressedClassPointers），这个指针的大小会被压缩到32位（4字节）。如果未开启或无法压缩，它在64位JVM中是64位（8字节）。

  3. Array Length（数组长度，仅数组对象包含）：

    • 如果当前创建的对象是一个数组对象，那么对象头中还必须有一块数据用于记录数组的长度。
    • 这部分数据的位数通常是32位（4字节），即使在64位JVM中，因为Java数组的最大长度受限于 int 类型的最大值。

设置对象头的过程具体发生在内存分配和零值初始化之后，执行<init>方法之前。JVM会根据以下信息填充对象头：

  • 对于Mark Word：

    • 初始状态通常是无锁状态，可能会设置初始的GC分代年龄（通常为0）。
    • 哈希码通常是延迟计算的，即在对象第一次调用 hashCode() 方法时才计算并存入Mark Word，或者在需要时（如对象要被放入哈希表）计算。
    • 锁相关的标志位会根据后续的同步操作动态变化。

  • 对于Klass Pointer：

    • JVM在执行 new 指令时，已经知道了要创建的是哪个类的对象。在类加载完成后，该类在方法区/元空间的 Klass 对象地址是确定的。因此，JVM会将这个地址（或压缩后的地址）写入对象头的Klass Pointer部分。

  • 对于Array Length（如果是数组对象）：

    • 在创建数组对象时（例如 new int[10]），数组的长度（这里是10）是已知的。JVM会将这个长度值写入对象头的数组长度部分。

这个设置过程是由JVM自动完成的，对Java程序员是透明的。一旦对象头设置完毕，再加上后续<init>方法的执行（初始化实例字段），一个完整的、可用的对象就创建成功了。

总结一下设置对象头的过程： 1. 确定对象头的结构（是否为数组，决定是否有数组长度部分）。 2. 初始化Mark Word：设置初始的GC分代年龄、锁状态标志（通常为无锁），为哈希码预留空间或设置初始值。 3. 设置Klass Pointer：将指向方法区/元空间中对应类元数据的指针写入。 4. （如果为数组对象）设置Array Length：将数组的长度值写入。

这个过程确保了对象在创建后就拥有了必要的运行时元信息，为后续的垃圾回收、同步操作、类型判断等JVM行为提供了基础。