Java 新建对象过程分析

本文主要是介绍Java 新建对象过程分析，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

1. 写在前面

“[JVM 解剖公园][1]”是一个持续更新的系列迷你博客，阅读每篇文章一般需要5到10分钟。限于篇幅，仅对某个主题按照问题、测试、基准程序、观察结果深入讲解。因此，这里的数据和讨论可以当轶事看，不做写作风格、句法和语义错误、重复或一致性检查。如果选择采信文中内容，风险自负。

Aleksey Shipilёv，JVM 性能极客   

推特 [@shipilev][2]   

问题、评论、建议发送到 [aleksey@shipilev.net][3]

[1]:https://shipilev.net/jvm-anatomy-park

[2]:http://twitter.com/shipilev

[3]:aleksey@shipilev.net

2. 问题

听说分配与初始化不同。Java 有构造函数，它究竟会执行分配还是做初始化呢？

3. 理论

如果打开 [GC Handbook][4]，它会告诉你创建一个新对象通常包括三个阶段：

> 译注：GC Handbook 中文版《垃圾回收算法手册》

1. "分配"：从进程空间中分配实例数据。
   

2. "系统初始化"：按照 Java 语言规范进行初始化。在 C 语言中，分配新对象不需要初始化；在 Java 中，所有新创建的对象都要进行系统初始化赋默认值，设置完整的对象头等等。

3. "二次初始化（用户初始化）"：执行与该对象类型关联的所有初始化语句和构造函数。

在前面 [TLAB 分配][5]中我们对此进行过讨论，现在介绍详细的初始化过程。假如你熟悉 Java 字节码，就会知道 `new` 语句对应了几条字节码指令。例如：

```java
public Object t() {
  return new Object();
}
```

会编译为：

```java
  public java.lang.Object t();
    descriptor: ()Ljava/lang/Object;
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: new           #4                  // java/lang/Object 类
         3: dup
         4: invokespecial #1                  // java/lang/Object."<init>":()V 方法
         7: areturn
```

[4]:http://gchandbook.org/

[5]:https://shipilev.net/jvm/anatomy-quarks/4-tlab-allocation/

看起来 `new` 会执行分配和系统初始化，同时调用构造函数（`<init>`）执行用户初始化。然而，智能的 Hotspot 虚拟机会不会优化？比如在构造函数执行完成以前查看对象使用情况，优化可以合并的任务。接下来，让我们做个实验。

4. 实验

要解除这个疑问，可以编写下面这样的测试。初始化两个不同的类，每个类只包含一个 `int` 属性：

```java
import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@Warmup(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Fork(value = 3)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@State(Scope.Benchmark)
public class UserInit {

    @Benchmark
    public Object init() {
        return new Init(42);
    }

    @Benchmark
    public Object initLeaky() {
        return new InitLeaky(42);
    }

    static class Init {
        private int x;
        public Init(int x) {
            this.x = x;
        }
    }

    static class InitLeaky {
        private int x;
        public InitLeaky(int x) {
            doSomething();
            this.x = x;
        }

        @CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
        void doSomething() {
            // 此处留白
        }
    }
}
```

设计测试时，为防止编译器对 `doSomething()` 空方法进行内联优化加上了限制，迫使优化程序认为接下来可能有代码访问 `x`。换句话说，这样就无法判断 `doSomething()` 是否真的泄露了对象，从而可以有效地把对象暴露给某些外部代码。

建议启用 `-XX:+UseParallelGC -XX:-TieredCompilation -XX:-UseBiasedLocking` 参数运行测试，这样生成的代码更容易理解。JMH `-prof perfasm` 参数可以完美地转储测试生成的代码。

下面是 `Init` 测试结果：

```asm
0x00007efdc466d4cc: mov    0x60(%r15),%rax          ; 下面是 TLAB 分配
0x00007efdc466d4d0: mov    %rax,%r10
0x00007efdc466d4d3: add    $0x10,%r10
0x00007efdc466d4d7: cmp    0x70(%r15),%r10
0x00007efdc466d4db: jae    0x00007efdc466d50a
0x00007efdc466d4dd: mov    %r10,0x60(%r15)
0x00007efdc466d4e1: prefetchnta 0xc0(%r10)
                                                  ; ------- /分配 ---------
                                                  ; ------- 系统初始化 ---------
0x00007efdc466d4e9: movq   $0x1,(%rax)              ; header 设置 mark word
0x00007efdc466d4f0: movl   $0xf8021bc4,0x8(%rax)    ; header 设置 class word
                                                  ; ...... 系统/用户初始化 .....
0x00007efdc466d4f7: movl   $0x2a,0xc(%rax)          ; x = 42.
                                                  ; -------- /用户初始化 ---------
```

上面生成的代码中可以看到 TLAB 分配、对象元数据初始化，然后对字段执行系统+用户初始化。`InitLeaky` 的测试结果有很大区别：

```asm
                                                  ; ------- 分配 ----------
0x00007fc69571bf4c: mov    0x60(%r15),%rax
0x00007fc69571bf50: mov    %rax,%r10
0x00007fc69571bf53: add    $0x10,%r10
0x00007fc69571bf57: cmp    0x70(%r15),%r10
0x00007fc69571bf5b: jae    0x00007fc69571bf9e
0x00007fc69571bf5d: mov    %r10,0x60(%r15)
0x00007fc69571bf61: prefetchnta 0xc0(%r10)
                                                  ; ------- /分配 ---------
                                                  ; ------- 系统初始化 ---------
0x00007fc69571bf69: movq   $0x1,(%rax)              ; header 设置 mark word
0x00007fc69571bf70: movl   $0xf8021bc4,0x8(%rax)    ; header 设置 class word
0x00007fc69571bf77: mov    %r12d,0xc(%rax)          ; x = 0 (%r12 的值恰好是 0)
                                                  ; ------- /系统初始化 --------
                                                  ; -------- 用户初始化 ----------
0x00007fc69571bf7b: mov    %rax,%rbp
0x00007fc69571bf7e: mov    %rbp,%rsi
0x00007fc69571bf81: xchg   %ax,%ax
0x00007fc69571bf83: callq  0x00007fc68e269be0       ; call doSomething()
0x00007fc69571bf88: movl   $0x2a,0xc(%rbp)          ; x = 42
                                                  ; ------ /用户初始化 ------
```

由于优化程序无法确定是否需要 `x` 值，因此这里必须假定出现最坏的情况，先执行系统初始化，然后再完成用户初始化。

5. 观察

虽然教科书的定义很完美，而且生成的字节码也提供了佐证，但只要不出现奇怪的结果，优化程序还是会做一些不为人知的优化。从编译器的角度看，这只是一种简单优化。但从概念上说，这个结果已经超出了“阶段”的范畴。

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