詳解Java對象的內存布局

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前言

今天來(lái)講些抽象的東西 -- 對象頭，因為我在學(xué)習的過(guò)程中發(fā)現很多地方都關(guān)聯(lián)到了對象頭的知識點(diǎn)，例如JDK中的 synchronized鎖優(yōu)化 和 JVM 中對象年齡升級等等。要深入理解這些知識的原理，了解對象頭的概念很有必要，而且可以為后面分享 synchronized 原理和 JVM 知識的時(shí)候做準備。

對象內存構成

Java 中通過(guò) new 關(guān)鍵字創(chuàng )建一個(gè)類(lèi)的實(shí)例對象，對象存于內存的堆中并給其分配一個(gè)內存地址，那么是否想過(guò)如下這些問(wèn)題：

• 這個(gè)實(shí)例對象是以怎樣的形態(tài)存在內存中的?
• 一個(gè)Object對象在內存中占用多大?
• 對象中的屬性是如何在內存中分配的?

在 JVM 中，Java對象保存在堆中時(shí)，由以下三部分組成：

• 對象頭（object header）：包括了關(guān)于堆對象的布局、類(lèi)型、GC狀態(tài)、同步狀態(tài)和標識哈希碼的基本信息。Java對象和vm內部對象都有一個(gè)共同的對象頭格式。
• 實(shí)例數據（Instance Data）：主要是存放類(lèi)的數據信息，父類(lèi)的信息，對象字段屬性信息。
• 對齊填充（Padding）：為了字節對齊，填充的數據，不是必須的。

對象頭

我們可以在Hotspot官方文檔中找到它的描述(下圖)。從中可以發(fā)現，它是Java對象和虛擬機內部對象都有的共同格式，由兩個(gè)字(計算機術(shù)語(yǔ))組成。另外，如果對象是一個(gè)Java數組，那在對象頭中還必須有一塊用于記錄數組長(cháng)度的數據，因為虛擬機可以通過(guò)普通Java對象的元數據信息確定Java對象的大小，但是從數組的元數據中無(wú)法確定數組的大小。

它里面提到了對象頭由兩個(gè)字組成，這兩個(gè)字是什么呢？我們還是在上面的那個(gè)Hotspot官方文檔中往上看，可以發(fā)現還有另外兩個(gè)名詞的定義解釋?zhuān)謩e是 mark word 和 klass pointer。

從中可以發(fā)現對象頭中那兩個(gè)字：第一個(gè)字就是 mark word，第二個(gè)就是 klass pointer。

Mark Word

用于存儲對象自身的運行時(shí)數據，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標志、線(xiàn)程持有的鎖、偏向線(xiàn)程ID、偏向時(shí)間戳等等。

Mark Word在32位JVM中的長(cháng)度是32bit，在64位JVM中長(cháng)度是64bit。我們打開(kāi)openjdk的源碼包，對應路徑/openjdk/hotspot/src/share/vm/oops，Mark Word對應到C++的代碼markOop.hpp，可以從注釋中看到它們的組成，本文所有代碼是基于Jdk1.8。

Mark Word在不同的鎖狀態(tài)下存儲的內容不同，在32位JVM中是這么存的

在64位JVM中是這么存的

雖然它們在不同位數的JVM中長(cháng)度不一樣，但是基本組成內容是一致的。

• 鎖標志位（lock）：區分鎖狀態(tài)，11時(shí)表示對象待GC回收狀態(tài), 只有最后2位鎖標識(11)有效。
• biased_lock：是否偏向鎖，由于無(wú)鎖和偏向鎖的鎖標識都是 01，沒(méi)辦法區分，這里引入一位的偏向鎖標識位。
• 分代年齡（age）：表示對象被GC的次數，當該次數到達閾值的時(shí)候，對象就會(huì )轉移到老年代。
• 對象的hashcode（hash）：運行期間調用System.identityHashCode()來(lái)計算，延遲計算，并把結果賦值到這里。當對象加鎖后，計算的結果31位不夠表示，在偏向鎖，輕量鎖，重量鎖，hashcode會(huì )被轉移到Monitor中。
• 偏向鎖的線(xiàn)程ID（JavaThread）：偏向模式的時(shí)候，當某個(gè)線(xiàn)程持有對象的時(shí)候，對象這里就會(huì )被置為該線(xiàn)程的ID。 在后面的操作中，就無(wú)需再進(jìn)行嘗試獲取鎖的動(dòng)作。
• epoch：偏向鎖在CAS鎖操作過(guò)程中，偏向性標識，表示對象更偏向哪個(gè)鎖。
• ptr_to_lock_record：輕量級鎖狀態(tài)下，指向棧中鎖記錄的指針。當鎖獲取是無(wú)競爭的時(shí)，JVM使用原子操作而不是OS互斥。這種技術(shù)稱(chēng)為輕量級鎖定。在輕量級鎖定的情況下，JVM通過(guò)CAS操作在對象的標題字中設置指向鎖記錄的指針。
• ptr_to_heavyweight_monitor：重量級鎖狀態(tài)下，指向對象監視器Monitor的指針。如果兩個(gè)不同的線(xiàn)程同時(shí)在同一個(gè)對象上競爭，則必須將輕量級鎖定升級到Monitor以管理等待的線(xiàn)程。在重量級鎖定的情況下，JVM在對象的ptr_to_heavyweight_monitor設置指向Monitor的指針。

Klass Pointer

即類(lèi)型指針，是對象指向它的類(lèi)元數據的指針，虛擬機通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對象是哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例。

實(shí)例數據

如果對象有屬性字段，則這里會(huì )有數據信息。如果對象無(wú)屬性字段，則這里就不會(huì )有數據。根據字段類(lèi)型的不同占不同的字節，例如boolean類(lèi)型占1個(gè)字節，int類(lèi)型占4個(gè)字節等等；

對齊數據

對象可以有對齊數據也可以沒(méi)有。默認情況下，Java虛擬機堆中對象的起始地址需要對齊至8的倍數。如果一個(gè)對象用不到8N個(gè)字節則需要對其填充，以此來(lái)補齊對象頭和實(shí)例數據占用內存之后剩余的空間大小。如果對象頭和實(shí)例數據已經(jīng)占滿(mǎn)了JVM所分配的內存空間，那么就不用再進(jìn)行對齊填充了。

所有的對象分配的字節總SIZE需要是8的倍數，如果前面的對象頭和實(shí)例數據占用的總SIZE不滿(mǎn)足要求，則通過(guò)對齊數據來(lái)填滿(mǎn)。

為什么要對齊數據？字段內存對齊的其中一個(gè)原因，是讓字段只出現在同一CPU的緩存行中。如果字段不是對齊的，那么就有可能出現跨緩存行的字段。也就是說(shuō)，該字段的讀取可能需要替換兩個(gè)緩存行，而該字段的存儲也會(huì )同時(shí)污染兩個(gè)緩存行。這兩種情況對程序的執行效率而言都是不利的。其實(shí)對其填充的最終目的是為了計算機高效尋址。

至此，我們已經(jīng)了解了對象在堆內存中的整體結構布局，如下圖所示

Talk is cheap, show me code

概念的東西是抽象的，你說(shuō)它是這樣組成的，就真的是嗎？學(xué)習是需要持懷疑的態(tài)度的，任何理論和概念只有自己證實(shí)和實(shí)踐之后才能接受它。還好 openjdk 給我們提供了一個(gè)工具包，可以用來(lái)獲取對象的信息和虛擬機的信息，我們只需引入 jol-core 依賴(lài)，如下

<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol-core</artifactId>
  <version>0.8</version>
</dependency>

jol-core 常用的三個(gè)方法

• ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()：查看對象內部信息.
• GraphLayout.parseInstance(object).toPrintable()：查看對象外部信息，包括引用的對象.
• GraphLayout.parseInstance(object).totalSize()：查看對象總大小.

普通對象

為了簡(jiǎn)單化，我們不用復雜的對象，自己創(chuàng )建一個(gè)類(lèi) D，先看無(wú)屬性字段的時(shí)候

public class D {
}

通過(guò) jol-core 的 api，我們將對象的內部信息打印出來(lái)

public static void main(String[] args) {
    D d = new D();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
}

最后的打印結果為

可以看到有 OFFSET、SIZE、TYPE DESCRIPTION、VALUE 這幾個(gè)名詞頭，它們的含義分別是

• OFFSET：偏移地址，單位字節；
• SIZE：占用的內存大小，單位為字節；
• TYPE DESCRIPTION：類(lèi)型描述，其中object header為對象頭；
• VALUE：對應內存中當前存儲的值，二進(jìn)制32位；

可以看到，d對象實(shí)例共占據16byte，對象頭（object header）占據12byte（96bit），其中 mark word占8byte（64bit），klass pointe 占4byte，另外剩余4byte是填充對齊的。

這里由于默認開(kāi)啟了指針壓縮，所以對象頭占了12byte，具體的指針壓縮的概念這里就不再闡述了，感興趣的讀者可以自己查閱下官方文檔。jdk8版本是默認開(kāi)啟指針壓縮的，可以通過(guò)配置vm參數開(kāi)啟關(guān)閉指針壓縮，-XX:-UseCompressedOops。

如果關(guān)閉指針壓縮重新打印對象的內存布局，可以發(fā)現總SIZE變大了，從下圖中可以看到，對象頭所占用的內存大小變?yōu)?6byte（128bit），其中 mark word占8byte，klass pointe 占8byte，無(wú)對齊填充。

開(kāi)啟指針壓縮可以減少對象的內存使用。從兩次打印的D對象布局信息來(lái)看，關(guān)閉指針壓縮時(shí)，對象頭的SIZE增加了4byte，這里由于D對象是無(wú)屬性的，讀者可以試試增加幾個(gè)屬性字段來(lái)看下，這樣會(huì )明顯的發(fā)現SIZE增長(cháng)。因此開(kāi)啟指針壓縮，理論上來(lái)講，大約能節省百分之五十的內存。jdk8及以后版本已經(jīng)默認開(kāi)啟指針壓縮，無(wú)需配置。

數組對象

上面使用的是普通對象，我們來(lái)看下數組對象的內存布局，比較下有什么異同

public static void main(String[] args) {
    int[] a = {1};
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}

打印的內存布局信息，如下

可以看到這時(shí)總SIZE為共24byte，對象頭占16byte，其中Mark Work占8byte，Klass Point 占4byte，array length 占4byte，因為里面只有一個(gè)int 類(lèi)型的1，所以數組對象的實(shí)例數據占據4byte，剩余對齊填充占據4byte。

結尾

經(jīng)過(guò)以上的內容我們了解了對象在內存中的布局，了解對象的內存布局和對象頭的概念，特別是對象頭的Mark Word的內容，在我們后續分析 synchronize 鎖優(yōu)化 和 JVM 垃圾回收年齡代的時(shí)候會(huì )有很大作用。

JVM中大家是否還記得對象在Suvivor中每熬過(guò)一次MinorGC，年齡就增加1，當它的年齡增加到一定程度后就會(huì )被晉升到老年代中，這個(gè)次數默認是15歲，有想過(guò)為什么是15嗎？在Mark Word中可以發(fā)現標記對象分代年齡的分配的空間是4bit，而4bit能表示的最大數就是2^4-1 = 15。

以上就是詳解Java對象的內存布局的詳細內容，更多關(guān)于Java對象內存布局的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！