詳解Java對象的內存佈局

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前言

今天來講些抽象的東西 — 對象頭，因為我在學習的過程中發現很多地方都關聯到瞭對象頭的知識點，例如JDK中的 synchronized鎖優化 和 JVM 中對象年齡升級等等。要深入理解這些知識的原理，瞭解對象頭的概念很有必要，而且可以為後面分享 synchronized 原理和 JVM 知識的時候做準備。

對象內存構成

Java 中通過 new 關鍵字創建一個類的實例對象，對象存於內存的堆中並給其分配一個內存地址，那麼是否想過如下這些問題：

  • 這個實例對象是以怎樣的形態存在內存中的?
  • 一個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，由以下三部分組成：

  • 對象頭（object header）：包括瞭關於堆對象的佈局、類型、GC狀態、同步狀態和標識哈希碼的基本信息。Java對象和vm內部對象都有一個共同的對象頭格式。
  • 實例數據（Instance Data）：主要是存放類的數據信息，父類的信息，對象字段屬性信息。
  • 對齊填充（Padding）：為瞭字節對齊，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)。從中可以發現，它是Java對象和虛擬機內部對象都有的共同格式，由兩個字(計算機術語)組成。另外，如果對象是一個Java數組，那在對象頭中還必須有一塊用於記錄數組長度的數據，因為虛擬機可以通過普通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法確定數組的大小。

它裡面提到瞭對象頭由兩個字組成，這兩個字是什麼呢？我們還是在上面的那個Hotspot官方文檔中往上看，可以發現還有另外兩個名詞的定義解釋，分別是 mark word 和 klass pointer。

從中可以發現對象頭中那兩個字：第一個字就是 mark word，第二個就是 klass pointer。

Mark Word

用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時間戳等等。

Mark Word在32位JVM中的長度是32bit，在64位JVM中長度是64bit。我們打開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，可以從註釋中看到它們的組成，本文所有代碼是基於Jdk1.8。

Mark Word在不同的鎖狀態下存儲的內容不同，在32位JVM中是這麼存的

在64位JVM中是這麼存的

雖然它們在不同位數的JVM中長度不一樣，但是基本組成內容是一致的。

  • 鎖標志位（lock）：區分鎖狀態，11時表示對象待GC回收狀態, 隻有最後2位鎖標識(11)有效。
  • biased_lock：是否偏向鎖，由於無鎖和偏向鎖的鎖標識都是 01，沒辦法區分，這裡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候，對象就會轉移到老年代。
  • 對象的hashcode（hash）：運行期間調用System.identityHashCode()來計算，延遲計算，並把結果賦值到這裡。當對象加鎖後，計算的結果31位不夠表示，在偏向鎖，輕量鎖，重量鎖，hashcode會被轉移到Monitor中。
  • 偏向鎖的線程ID（JavaThread）：偏向模式的時候，當某個線程持有對象的時候，對象這裡就會被置為該線程的ID。 在後面的操作中，就無需再進行嘗試獲取鎖的動作。
  • epoch：偏向鎖在CAS鎖操作過程中，偏向性標識，表示對象更偏向哪個鎖。
  • ptr_to_lock_record：輕量級鎖狀態下，指向棧中鎖記錄的指針。當鎖獲取是無競爭的時，JVM使用原子操作而不是OS互斥。這種技術稱為輕量級鎖定。在輕量級鎖定的情況下，JVM通過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：重量級鎖狀態下，指向對象監視器Monitor的指針。如果兩個不同的線程同時在同一個對象上競爭，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

即類型指針，是對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。

實例數據

如果對象有屬性字段，則這裡會有數據信息。如果對象無屬性字段，則這裡就不會有數據。根據字段類型的不同占不同的字節，例如boolean類型占1個字節，int類型占4個字節等等；

對齊數據

對象可以有對齊數據也可以沒有。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。如果一個對象用不到8N個字節則需要對其填充，以此來補齊對象頭和實例數據占用內存之後剩餘的空間大小。如果對象頭和實例數據已經占滿瞭JVM所分配的內存空間，那麼就不用再進行對齊填充瞭。

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例數據占用的總SIZE不滿足要求，則通過對齊數據來填滿。

為什麼要對齊數據？字段內存對齊的其中一個原因，是讓字段隻出現在同一CPU的緩存行中。如果字段不是對齊的，那麼就有可能出現跨緩存行的字段。也就是說，該字段的讀取可能需要替換兩個緩存行，而該字段的存儲也會同時污染兩個緩存行。這兩種情況對程序的執行效率而言都是不利的。其實對其填充的最終目的是為瞭計算機高效尋址。

至此，我們已經瞭解瞭對象在堆內存中的整體結構佈局，如下圖所示

Talk is cheap, show me code

概念的東西是抽象的，你說它是這樣組成的，就真的是嗎？學習是需要持懷疑的態度的，任何理論和概念隻有自己證實和實踐之後才能接受它。還好 openjdk 給我們提供瞭一個工具包，可以用來獲取對象的信息和虛擬機的信息，我們隻需引入 jol-core 依賴，如下

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

jol-core 常用的三個方法

  • 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

為瞭簡單化，我們不用復雜的對象，自己創建一個類 D，先看無屬性字段的時候

public class D {
}

通過 jol-core 的 api，我們將對象的內部信息打印出來

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

最後的打印結果為

可以看到有 OFFSET、SIZE、TYPE DESCRIPTION、VALUE 這幾個名詞頭，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，二進制32位；

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

這裡由於默認開啟瞭指針壓縮，所以對象頭占瞭12byte，具體的指針壓縮的概念這裡就不再闡述瞭，感興趣的讀者可以自己查閱下官方文檔。jdk8版本是默認開啟指針壓縮的，可以通過配置vm參數開啟關閉指針壓縮，-XX:-UseCompressedOops。

如果關閉指針壓縮重新打印對象的內存佈局，可以發現總SIZE變大瞭，從下圖中可以看到，對象頭所占用的內存大小變為16byte（128bit），其中 mark word占8byte，klass pointe 占8byte，無對齊填充。

開啟指針壓縮可以減少對象的內存使用。從兩次打印的D對象佈局信息來看，關閉指針壓縮時，對象頭的SIZE增加瞭4byte，這裡由於D對象是無屬性的，讀者可以試試增加幾個屬性字段來看下，這樣會明顯的發現SIZE增長。因此開啟指針壓縮，理論上來講，大約能節省百分之五十的內存。jdk8及以後版本已經默認開啟指針壓縮，無需配置。

數組對象

上面使用的是普通對象，我們來看下數組對象的內存佈局，比較下有什麼異同

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

打印的內存佈局信息，如下

可以看到這時總SIZE為共24byte，對象頭占16byte，其中Mark Work占8byte，Klass Point 占4byte，array length 占4byte，因為裡面隻有一個int 類型的1，所以數組對象的實例數據占據4byte，剩餘對齊填充占據4byte。

結尾

經過以上的內容我們瞭解瞭對象在內存中的佈局，瞭解對象的內存佈局和對象頭的概念，特別是對象頭的Mark Word的內容，在我們後續分析 synchronize 鎖優化 和 JVM 垃圾回收年齡代的時候會有很大作用。

JVM中大傢是否還記得對象在Suvivor中每熬過一次MinorGC，年齡就增加1，當它的年齡增加到一定程度後就會被晉升到老年代中，這個次數默認是15歲，有想過為什麼是15嗎？在Mark Word中可以發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對象的內存佈局的詳細內容，更多關於Java對象內存佈局的資料請關註WalkonNet其它相關文章！

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