JDK源码分析——Object类

Object类是java中所有类的父类，所有类默认（而非显式）继承Object。这也就意味着，Object类中的所有公有方法也将被任何类所继承。如果，整个java类体系是一颗树，那么Object类毫无疑问就是整棵树的根。

jdk版本：1.8

整体分析

public class Object {

    /* 一个本地方法，具体是用C（C++）在DLL中实现的，然后通过JNI调用。*/
    private static native void registerNatives();
    static {  /* 对象初始化时自动调用此方法 */
        registerNatives();
    }

    /* 返回Object的运行时类 */ 
    public final native Class<?> getClass();

    /* 返回Object的hash值 */ 
    public native int hashCode();

    public boolean equals(Object obj) {
        return (this == obj);
    }

    /* 本地CLONE方法，用于对象的复制。 */
    protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException;

    /* 返回该对象的字符串表示。非常重要的方法 */
    public String toString() {
        return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
    }

    /* 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。*/ 
    public final native void notify();

    /* 唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。*/ 
    public final native void notifyAll();

    /* 在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者超过指定的时间量前，导致当前线程等待。*/ 
    public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

    /* 在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者其他某个线程中断当前线程，或者已超过某个实际时间量前，导致当前线程等待。*/  
    public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException {
        if (timeout < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }
        //nanos 单位为纳秒,  1毫秒 = 1000 微秒 = 1000 000 纳秒
        if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
            throw new IllegalArgumentException(
                                "nanosecond timeout value out of range");
        }

        if (nanos > 0) {
            timeout++;
        }

        wait(timeout);
    }

    /* 在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待。*/ 
    public final void wait() throws InterruptedException {
        wait(0);
    }

    /* 当垃圾回收器确定不存在对该对象的更多引用时，由对象的垃圾回收器调用此方法。*/ 
    protected void finalize() throws Throwable { }
}

方法解释

public boolean equals(Object obj)

== 与equals在Java中经常被使用，大家也都知道==与equals的区别：==表示的是变量值完成相同（对于基础类型，地址中存储的是值，引用类型则存储指向实际对象的地址）；

equals表示的是对象的内容完全相同，此处的内容多指对象的特征/属性。

实际上，上面说法是不严谨的，更多的只是常见于String类中。首先看一下Object类中关于equals()方法的定义：

public boolean equals(Object obj) {
    return (this == obj);
}

由此可见，Object原生的equals()方法内部调用的正是==，与==具有相同的含义。既然如此，为什么还要定义此equals()方法？

equlas()方法的正确理解应该是：判断两个对象是否相等。 那么判断对象相等的标尺又是什么？

如上，在object类中，此标尺即为==。当然，这个标尺不是固定的，其他类中可以按照实际的需要对此标尺含义进行重定义。如String类中则是依据字符串内容是否相等来重定义了此标尺含义。如此可以增加类的功能型和实际编码的灵活性。当然了，如果自定义的类没有重写equals()方法来重新定义此标尺，那么默认的将是其父类的equals()，直到object基类。

public native int hashCode()

hashCode()方法返回一个整形数值，表示该对象的哈希码值。

hashCode()具有如下约定：

1. 在Java应用程序程序执行期间，对于同一对象多次调用hashCode()方法时，其返回的哈希码是相同的，前提是将对象进行equals比较时所用的标尺信息未做修改。在Java应用程序的一次执行到另外一次执行，同一对象的hashCode()返回的哈希码无须保持一致；
2. 如果两个对象相等（依据：调用equals()方法），那么这两个对象调用hashCode()返回的哈希码也必须相等；
3. 反之，两个对象调用hasCode()返回的哈希码相等，这两个对象不一定相等。

在此需要纠正一个理解上的误区：对象的hashCode()返回的不是对象所在的物理内存地址。甚至也不一定是对象的逻辑地址，hashCode()相同的两个对象，不一定相等，换言之，不相等的两个对象，hashCode()返回的哈希码可能相同。

public String toString()

toString()方法返回该对象的字符串表示。先看一下Object中的具体方法体：

public String toString() {
    return getClass().getName() + "@" + Integer.toHexString(hashCode());
}

• getClass()返回对象的类对象，getClassName()以String形式返回类对象的名称（含包名）。
• Integer.toHexString(hashCode())则是以对象的哈希码为实参，以16进制无符号整数形式返回此哈希码的字符串表示形式。

toString()是由对象的类型和其哈希码唯一确定，同一类型但不相等的两个对象分别调用toString()方法返回的结果可能相同。

protected void finalize()

finalize方法主要与Java垃圾回收机制有关。首先我们看一下finalized方法在Object中的具体定义：

protected void finalize() throws Throwable { }

我们发现Object类中finalize方法被定义成一个空方法，为什么要如此定义呢？finalize方法的调用时机是怎么样的呢？

首先，Object中定义finalize方法表明Java中每一个对象都将具有finalize这种行为，任何类都是重写finalize方法，实现自己想要的功能。其具体调用时机在：JVM准备对此对象所占用的内存空间进行垃圾回收前，将被调用。由此可以看出，此方法并不是由我们主动去调用的（虽然可以主动去调用，此时与其他自定义方法无异）。

finalize的作用

finalize()是Object的protected方法，子类可以覆盖该方法以实现资源清理工作，GC在回收对象之前调用该方法。

finalize()与C++中的析构函数不是对应的。C++中的析构函数调用的时机是确定的（对象离开作用域或delete掉），但Java中的finalize的调用具有不确定性。

不建议用finalize方法完成“非内存资源”的清理工作，但建议用于：

1. 清理本地对象(通过JNI创建的对象)；
2. 作为确保某些非内存资源(如Socket、文件等)释放的一个补充：在finalize方法中显式调用其他资源释放方法。

finalize的问题

1. 一些与finalize相关的方法，由于一些致命的缺陷，已经被废弃了，如System.runFinalizersOnExit()方法、Runtime.runFinalizersOnExit()方法。
2. System.gc()与System.runFinalization()方法增加了finalize方法执行的机会，但不可盲目依赖它们。
3. Java语言规范并不保证finalize方法会被及时地执行、而且根本不会保证它们会被执行。
   finalize方法可能会带来性能问题。因为JVM通常在单独的低优先级线程中完成finalize的执行。
4. 对象再生问题：finalize方法中，可将待回收对象赋值给GC Roots可达的对象引用，从而达到对象再生的目的。
5. finalize方法至多由GC执行一次(用户当然可以手动调用对象的finalize方法，但并不影响GC对finalize的行为)。

finalize的执行过程(生命周期)

1. finalize大体流程

当对象变成(GC Roots)不可达时，GC会判断该对象是否覆盖了finalize方法，若未覆盖，则直接将其回收。否则，若对象未执行过finalize方法，将其放入F-Queue队列，由一低优先级线程执行该队列中对象的finalize方法。执行finalize方法完毕后，GC会再次判断该对象是否可达，若不可达，则进行回收，否则，对象“复活”。

2. 具体的finalize流程

对象可由两种状态，涉及到两类状态空间，一是终结状态空间 F = {unfinalized, finalizable, finalized}；二是可达状态空间 R = {reachable, finalizer-reachable, unreachable}。各状态含义如下：

1. unfinalized：新建对象会先进入此状态，GC并未准备执行其finalize方法，因为该对象是可达的；
2. finalizable：表示GC可对该对象执行finalize方法，GC已检测到该对象不可达。正如前面所述，GC通过F-Queue队列和一专用线程完成finalize的执行；
3. finalized：表示GC已经对该对象执行过finalize方法；
4. reachable：表示GC Roots引用可达；
5. finalizer-reachable(f-reachable)：表示不是reachable，但可通过某个finalizable对象可达；
6. unreachable：对象不可通过上面两种途径可达。

状态变迁图：

变迁说明：

1. 新建对象首先处于[reachable, unfinalized]状态(A)；
2. 随着程序的运行，一些引用关系会消失，导致状态变迁，从reachable状态变迁到f-reachable(B, C, D)或unreachable(E, F)状态；
3. 若JVM检测到处于unfinalized状态的对象变成f-reachable或unreachable，JVM会将其标记为finalizable状态(G,H)。若对象原处于[unreachable, unfinalized]状态，则同时将其标记为f-reachable(H)；
4. 在某个时刻，JVM取出某个finalizable对象，将其标记为finalized并在某个线程中执行其finalize方法。由于是在活动线程中引用了该对象，该对象将变迁到(reachable, finalized)状态(K或J)。该动作将影响某些其他对象从f-reachable状态重新回到reachable状态(L, M, N)；
5. 处于finalizable状态的对象不能同时是unreahable的，由第d点可知，将对象finalizable对象标记为finalized时会由某个线程执行该对象的finalize方法，致使其变成reachable。这也是图中只有八个状态点的原因；
6. 程序员手动调用finalize方法并不会影响到上述内部标记的变化，因此JVM只会至多调用finalize一次，即使该对象“复活”也是如此。程序员手动调用多少次不影响JVM的行为；
7. 若JVM检测到finalized状态的对象变成unreachable，回收其内存(I)；
8. 若对象并未覆盖finalize方法，JVM会进行优化，直接回收对象（O）；
9. 注：System.runFinalizersOnExit()等方法可以使对象即使处于reachable状态，JVM仍对其执行finalize方法。

wait/notify/notifyAll

wait()

public final void wait() throws InterruptedException {
    wait(0);
}

该方法用来将当前线程置入休眠状态，直到接到通知或被中断为止。在调用wait()之前，线程必须要获得该对象的对象级别锁，即只能在同步方法或同步块中调用wait()方法。进入wait()方法后，当前线程释放锁。在从wait()返回前，线程与其他线程竞争重新获得锁。如果调用wait()时，没有持有适当的锁，则抛出IllegalMonitorStateException，它是RuntimeException的一个子类，因此，不需要try-catch结构。

notify()

public final native void notify();

该方法也要在同步方法或同步块中调用，即在调用前，线程也必须要获得该对象的对象级别锁，如果调用notify()时没有持有适当的锁，也会抛出IllegalMonitorStateException。

该方法用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其他线程。如果有多个线程等待，则线程规划器任意挑选出其中一个wait()状态的线程来发出通知，并使它等待获取该对象的对象锁（notify后，当前线程不会马上释放该对象锁，wait所在的线程并不能马上获取该对象锁，要等到程序退出synchronized代码块后，当前线程才会释放锁，wait所在的线程也才可以获取该对象锁），但不惊动其他同样在等待被该对象notify的线程们。当第一个获得了该对象锁的wait线程运行完毕以后，它会释放掉该对象锁，此时如果该对象没有再次使用notify语句，则即便该对象已经空闲，其他wait状态等待的线程由于没有得到该对象的通知，会继续阻塞在wait状态，直到这个对象发出一个notify或notifyAll。这里需要注意：它们等待的是被notify或notifyAll，而不是锁。这与下面的notifyAll()方法执行后的情况不同。

notifyAll()

public final native void notifyAll();

该方法与notify()方法的工作方式相同，重要的一点差异是：

notifyAll使所有原来在该对象上wait的线程统统退出wait的状态（即全部被唤醒，不再等待notify或notifyAll，但由于此时还没有获取到该对象锁，因此还不能继续往下执行），变成等待获取该对象上的锁，一旦该对象锁被释放（notifyAll线程退出调用了notifyAll的synchronized代码块的时候），他们就会去竞争。如果其中一个线程获得了该对象锁，它就会继续往下执行，在它退出synchronized代码块，释放锁后，其他的已经被唤醒的线程将会继续竞争获取该锁，一直进行下去，直到所有被唤醒的线程都执行完毕。

wait(long)和wait(long,int)

public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException {
    if (timeout < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
        throw new IllegalArgumentException(
                            "nanosecond timeout value out of range");
    }

    if (nanos > 0) {
        timeout++;
    }

    wait(timeout);
}

显然，这两个方法是设置等待超时时间的，后者在超值时间上加上ns，精度也难以达到，因此，该方法很少使用。对于前者，如果在等待线程接到通知或被中断之前，已经超过了指定的毫秒数，则它通过竞争重新获得锁，并从wait（long）返回。另外，需要知道，如果设置了超时时间，当wait()返回时，我们不能确定它是因为接到了通知还是因为超时而返回的，因为wait()方法不会返回任何相关的信息。但一般可以通过设置标志位来判断，在notify之前改变标志位的值，在wait()方法后读取该标志位的值来判断，当然为了保证notify不被遗漏，我们还需要另外一个标志位来循环判断是否调用wait()方法。

深入理解：

如果线程调用了对象的wait()方法，那么线程便会处于该对象的等待池中，等待池中的线程不会去竞争该对象的锁。

当有线程调用了对象的notifyAll()方法（唤醒所有wait线程）或 notify())方法（只随机唤醒一个wait线程），被唤醒的的线程便会进入该对象的锁池中，锁池中的线程会去竞争该对象锁。

优先级高的线程竞争到对象锁的概率大，假若某线程没有竞争到该对象锁，它还会留在锁池中，唯有线程再次调用wait()方法，它才会重新回到等待池中。而竞争到对象锁的线程则继续往下执行，直到执行完了synchronized代码块，它会释放掉该对象锁，这时锁池中的线程会继续竞争该对象锁。

补充问题

1. 为何调用wait方法有可能抛出InterruptedException异常？

这个异常大家应该都知道，当我们调用了某个线程的interrupt方法时，对应的线程会抛出这个异常，wait方法也不希望破坏这种规则，因此就算当前线程因为wait一直在阻塞，当某个线程希望它起来继续执行的时候，它还是得从阻塞态恢复过来，因此wait方法被唤醒起来的时候会去检测这个状态，当有线程interrupt了它的时候，它就会抛出这个异常从阻塞状态恢复过来。

这里有两点要注意：

• 如果被interrupt的线程只是创建了，并没有start，那等他start之后进入wait态之后也是不能会恢复的
• 如果被interrupt的线程已经start了，在进入wait之前，如果有线程调用了其interrupt方法，那这个wait等于什么都没做，会直接跳出来，不会阻塞。

2. wait的线程是否会影响系统加载降低性能？

这个或许是大家比较关心的话题，因为关乎系统性能问题，wait/nofity是通过jvm里的park/unpark机制来实现的，在linux下这种机制又是通过pthread_cond_wait/pthread_cond_signal来玩的，因此当线程进入到wait状态的时候其实是会放弃cpu的，也就是说这类线程是不会占用cpu资源，也不会影响系统加载。

3. 为什么wait()，notify()方法要和synchronized一起使用？

因为wait()方法是通知当前线程等待并释放对象锁，notify()方法是通知等待此对象锁的线程重新获得对象锁，然而，如果没有获得对象锁，wait方法和notify方法都是没有意义的，即必须先获得对象锁，才能对对象锁进行操作，于是，才必须把notify和wait方法写到synchronized方法或是synchronized代码块中了。

protected native Object clone() throws CloneNotSupportedException

Java中对象的创建

clone顾名思义就是复制， 在Java语言中， clone方法被对象调用，所以会复制对象。所谓的复制对象，首先要分配一个和源对象同样大小的空间，在这个空间中创建一个新的对象。那么在java语言中，有几种方式可以创建对象呢？

1. 使用new操作符创建一个对象
2. 使用clone方法复制一个对象

那么这两种方式有什么相同和不同呢？ new操作符的本意是分配内存。程序执行到new操作符时， 首先去看new操作符后面的类型，因为知道了类型，才能知道要分配多大的内存空间。分配完内存之后，再调用构造函数，填充对象的各个域，这一步叫做对象的初始化，构造方法返回后，一个对象创建完毕，可以把他的引用（地址）发布到外部，在外部就可以使用这个引用操纵这个对象。而clone在第一步是和new相似的， 都是分配内存，调用clone方法时，分配的内存和源对象（即调用clone方法的对象）相同，然后再使用原对象中对应的各个域，填充新对象的域， 填充完成之后，clone方法返回，一个新的相同的对象被创建，同样可以把这个新对象的引用发布到外部。

复制对象和复制引用

在Java中，以下类似的代码非常常见：

Person person1 = new Person(18, "tony");
Person person2 = person1;
System.out.println(person1);
System.out.println(person2);

执行结果：

com.prowo.jdk.clone.Person@3c679bde
com.prowo.jdk.clone.Person@3c679bde

可已看出，打印的地址值是相同的，既然地址都是相同的，那么肯定是同一个对象。person1和person2只是引用而已，他们都指向了一个相同的对象Person(18, “tony”)。 可以把这种现象叫做引用的复制。

而下面的代码是真真正正的克隆了一个对象。

Person person1 = new Person(18, "tony");
Person person2 = (Person) person1.clone();
System.out.println(person1);
System.out.println(person2);

从打印结果可以看出，两个对象的地址是不同的，也就是说创建了新的对象， 而不是把原对象的地址赋给了一个新的引用变量：

com.prowo.jdk.clone.Person@3c679bde
com.prowo.jdk.clone.Person@16b4a017

浅克隆和深克隆

上面的示例代码中，Person中有两个成员变量，分别是name和age， name是String类型， age是int类型。代码非常简单，如下所示：

public class Person implements Cloneable {
    private int age;
    private String name;

    public Person(int age, String name) {
        this.age = age;
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        return super.clone();
    }
}

由于age是基本数据类型， 那么对它的拷贝没有什么疑议，直接将一个4字节的整数值拷贝过来就行。但是name是String类型的， 它只是一个引用， 指向一个真正的String对象，那么对它的拷贝有两种方式： 直接将源对象中的name的引用值拷贝给新对象的name字段， 或者是根据原Person对象中的name指向的字符串对象创建一个新的相同的字符串对象，将这个新字符串对象的引用赋给新拷贝的Person对象的name字段。这两种拷贝方式分别叫做浅拷贝和深拷贝。

下面通过代码进行验证。如果两个Person对象的name的地址值相同， 说明两个对象的name都指向同一个String对象， 也就是浅拷贝， 而如果两个对象的name的地址值不同， 那么就说明指向不同的String对象， 也就是在拷贝Person对象的时候， 同时拷贝了name引用的String对象， 也就是深拷贝。验证代码如下：

Person person1 = new Person(18, "tony");
Person person2 = (Person) person1.clone();
System.out.println(person1.getName() == person2.getName() ? "clone是浅拷贝的" : "clone是深拷贝的");

打印结果为：clone是浅拷贝的

所以，clone方法执行的是浅拷贝， 在编写程序时要注意这个细节。

浅克隆

在浅克隆中，如果原型对象的成员变量是值类型，将复制一份给克隆对象；如果原型对象的成员变量是引用类型，则将引用对象的地址复制一份给克隆对象，也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。

简单来说，在浅克隆中，当对象被复制时只复制它本身和其中包含的值类型的成员变量，而引用类型的成员对象并没有复制。

在Java语言中，通过覆盖Object类的clone()方法可以实现浅克隆。

深克隆

在深克隆中，无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型，都将复制一份给克隆对象，深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。

简单来说，在深克隆中，除了对象本身被复制外，对象所包含的所有成员变量也将复制。

在Java语言中，如果需要实现深克隆，可以通过覆盖Object类的clone()方法实现，也可以通过序列化(Serialization)等方式来实现。

（如果引用类型里面还包含很多引用类型，或者内层引用类型的类里面又包含引用类型，使用clone方法就会很麻烦。这时我们可以用序列化的方式来实现对象的深克隆。）

序列化就是将对象写到流的过程，写到流中的对象是原有对象的一个拷贝，而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的拷贝不仅可以复制对象本身，而且可以复制其引用的成员对象，因此通过序列化将对象写到一个流中，再从流里将其读出来，可以实现深克隆。需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口，否则无法实现序列化操作。

扩展：

Java语言提供的Cloneable接口和Serializable接口的代码非常简单，它们都是空接口，这种空接口也称为标识接口，标识接口中没有任何方法的定义，其作用是告诉JRE这些接口的实现类是否具有某个功能，如是否支持克隆、是否支持序列化等。

解决多层克隆问题

如果引用类型里面还包含很多引用类型，或者内层引用类型的类里面又包含引用类型，使用clone方法就会很麻烦。这时我们可以用序列化的方式来实现对象的深克隆。

public class Outer implements Serializable{
    private static final long serialVersionUID = 369285298572941L;  //最好是显式声明ID
    public Inner inner;
　//Discription:[深度复制方法,需要对象及对象所有的对象属性都实现序列化]　
    public Outer myclone() {
        Outer outer = null;
        try { // 将该对象序列化成流,因为写在流里的是对象的一个拷贝，而原对象仍然存在于JVM里面。所以利用这个特性可以实现对象的深拷贝
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
            oos.writeObject(this);
    　　　　　　// 将流序列化成对象
            ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(baos.toByteArray());
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bais);
            outer = (Outer) ois.readObject();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return outer;
    }
}

Inner也必须实现Serializable，否则无法序列化：

public class Inner implements Serializable{
    private static final long serialVersionUID = 872390113109L; //最好是显式声明ID
    public String name = "";

    public Inner(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Inner的name值为：" + name;
    }
}

这样也能使两个对象在内存空间内完全独立存在，互不影响对方的值。

2.6.5 总结

实现对象克隆有两种方式：

1. 实现Cloneable接口并重写Object类中的clone()方法；
2. 实现Serializable接口，通过对象的序列化和反序列化实现克隆，可以实现真正的深度克隆。

注意： 基于序列化和反序列化实现的克隆不仅仅是深度克隆，更重要的是通过泛型限定，可以检查出要克隆的对象是否支持序列化，这项检查是编译器完成的，不是在运行时抛出异常，这种是方案明显优于使用Object类的clone方法克隆对象。让问题在编译的时候暴露出来总是优于把问题留到运行时。

参考博客

• JNI 学习笔记——通过RegisterNatives注册原生方法
• JNI学习笔记