圖文詳解 Java 對象內存佈局

轉自：碼農參上 / Dr Hydra

作爲一名 Java 程序員，我們在日常工作中使用這款面向對象的編程語言時，做的最頻繁的操作大概就是去創建一個個的對象了。對象的創建方式雖然有很多，可以通過new、反射、clone、反序列化等不同方式來創建，但最終使用時對象都要被放到內存中，那麼你知道在內存中的 java 對象是由哪些部分組成、又是怎麼存儲的嗎？

本文將基於代碼進行實例測試，詳細探討對象在內存中的組成結構。全文目錄結構如下：

文中代碼基於 JDK 1.8.0_261，64-Bit HotSpot 運行

1、對象內存結構概述

在介紹對象在內存中的組成結構前，我們先簡要回顧一個對象的創建過程：

1、jvm 將對象所在的class文件加載到方法區中

2、jvm 讀取main方法入口，將main方法入棧，執行創建對象代碼

3、在main方法的棧內存中分配對象的引用，在堆中分配內存放入創建的對象，並將棧中的引用指向堆中的對象

所以當對象在實例化完成之後，是被存放在堆內存中的，這裏的對象由 3 部分組成，如下圖所示：

對各個組成部分的功能簡要進行說明：

2、JOL 工具簡介

在具體開始研究對象的內存結構之前，先介紹一下我們要用到的工具，openjdk官網提供了查看對象內存佈局的工具jol (java object layout)，可在maven中引入座標：

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.14</version>
</dependency>

在代碼中使用jol提供的方法查看 jvm 信息：

System.out.println(VM.current().details());

通過打印出來的信息，可以看到我們使用的是 64 位 jvm，並開啓了指針壓縮，對象默認使用 8 字節對齊方式。通過jol查看對象內存佈局的方法，將在後面的例子中具體展示，下面開始對象內存佈局的正式學習。

3、對象頭

首先看一下對象頭（Object header）的組成部分，根據普通對象和數組對象的不同，結構將會有所不同。只有當對象是數組對象纔會有數組長度部分，普通對象沒有該部分，如下圖所示：

在對象頭中mark word 佔 8 字節，默認開啓指針壓縮的情況下klass pointer 佔 4 字節，數組對象的數組長度佔 4 字節。在瞭解了對象頭的基礎結構後，現在以一個不包含任何屬性的空對象爲例，查看一下它的內存佈局，創建User類：

public class User {
}

使用jol查看對象頭的內存佈局：

public static void main(String[] args) {
    User user=new User();
    //查看對象的內存佈局
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

執行代碼，查看打印信息：

當前對象共佔用 16 字節，因爲 8 字節標記字加 4 字節的類型指針，不滿足向 8 字節對齊，因此需要填充 4 個字節：

8B (mark word) + 4B (klass pointer) + 0B (instance data) + 4B (padding)

這樣我們就通過直觀的方式，瞭解了一個不包含屬性的最簡單的空對象，在內存中的基本組成是怎樣的。在此基礎上，我們來深入學習對象頭中各個組成部分。

3.1 Mark Word 標記字

在對象頭中，mark word 一共有 64 個 bit，用於存儲對象自身的運行時數據，標記對象處於以下 5 種狀態中的某一種：

3.1.1 基於 mark word 的鎖升級

在 jdk6 之前，通過synchronized關鍵字加鎖時使用無差別的的重量級鎖，重量級鎖會造成線程的串行執行，並且使 cpu 在用戶態和核心態之間頻繁切換。隨着對synchronized的不斷優化，提出了鎖升級的概念，並引入了偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。在mark word中，鎖（lock）標誌位佔用 2 個 bit，結合 1 個 bit 偏向鎖（biased_lock）標誌位，這樣通過倒數的 3 位，就能用來標識當前對象持有的鎖的狀態，並判斷出其餘位存儲的是什麼信息。

基於mark word的鎖升級的流程如下：

1、鎖對象剛創建時，沒有任何線程競爭，對象處於無鎖狀態。在上面打印的空對象的內存佈局中，根據大小端，得到最後 8 位是00000001，表示處於無鎖態，並且處於不可偏向狀態。這是因爲在 jdk 中偏向鎖存在延遲 4 秒啓動，也就是說在 jvm 啓動後 4 秒後創建的對象纔會開啓偏向鎖，我們通過 jvm 參數取消這個延遲時間：

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

這時最後 3 位爲101，表示當前對象的鎖沒有被持有，並且處於可被偏向狀態。

2、在沒有線程競爭的條件下，第一個獲取鎖的線程通過CAS將自己的threadId寫入到該對象的mark word中，若後續該線程再次獲取鎖，需要比較當前線程threadId和對象mark word中的threadId是否一致，如果一致那麼可以直接獲取，並且鎖對象始終保持對該線程的偏向，也就是說偏向鎖不會主動釋放。

使用代碼進行測試同一個線程重複獲取鎖的過程：

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

執行結果：

可以看到一個線程對一個對象加鎖、解鎖、重新獲取對象的鎖時，mark word都沒有發生變化，偏向鎖中的當前線程指針始終指向同一個線程。

3、當兩個或以上線程交替獲取鎖，但並沒有在對象上併發的獲取鎖時，偏向鎖升級爲輕量級鎖。在此階段，線程採取CAS的自旋方式嘗試獲取鎖，避免阻塞線程造成的 cpu 在用戶態和內核態間轉換的消耗。測試代碼如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    User user=new User();
    synchronized (user){
        System.out.println("--MAIN--:"+ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    }

    Thread thread = new Thread(() -> {
        synchronized (user) {
            System.out.println("--THREAD--:"+ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
        }
    });
    thread.start();
    thread.join();
    System.out.println("--END--:"+ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

先直接看一下結果：

整個加鎖狀態的變化流程如下：

4、當兩個或以上線程併發的在同一個對象上進行同步時，爲了避免無用自旋消耗 cpu，輕量級鎖會升級成重量級鎖。這時mark word中的指針指向的是monitor對象（也被稱爲管程或監視器鎖）的起始地址。測試代碼如下：

public static void main(String[] args) {
    User user = new User();
    new Thread(() -> {
        synchronized (user) {
            System.out.println("--THREAD1--:" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }).start();
    new Thread(() -> {
        synchronized (user) {
            System.out.println("--THREAD2--:" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }).start();
}

查看結果：

可以看到，在兩個線程同時競爭 user 對象的鎖時，會升級爲10重量級鎖。

3.1.2 其他信息

對mark word 中其他重要信息進行說明：

public static void main(String[] args) {
    User user=new User();
    //打印內存佈局
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    //計算hashCode
    System.out.println(user.hashCode());
    //再次打印內存佈局
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

可以看到，在沒有調用hashCode()方法前，31 位的哈希值不存在，全部填充爲 0。在調用方法後，根據大小端，被填充的數據爲：

1011001001101100011010010101101

將 2 進制轉換爲 10 進制，對應哈希值1496724653。需要注意，只有在調用沒有被重寫的Object.hashCode()方法或System.identityHashCode(Object)方法纔會寫入mark word，執行用戶自定義的hashCode()方法不會被寫入。

大家可能會注意到，當對象被加鎖後，mark word中就沒有足夠空間來保存hashCode了，這時hashcode會被移動到重量級鎖的Object Monitor中。

-XX:MaxTenuringThreshold

當設置的閾值超過 15 時，啓動時會報錯：

3.2 Klass Pointer 類型指針

Klass Pointer是一個指向方法區中Class信息的指針，虛擬機通過這個指針確定該對象屬於哪個類的實例。在 64 位的 JVM 中，支持指針壓縮功能，根據是否開啓指針壓縮，Klass Pointer佔用的大小將會不同：

在jdk6之後的版本中，指針壓縮是被默認開啓的，可通過啓動參數開啓或關閉該功能：

#開啓指針壓縮：
-XX:+UseCompressedOops
#關閉指針壓縮：
-XX:-UseCompressedOops

還是以剛纔的User類爲例，關閉指針壓縮後再次查看對象的內存佈局：

對象大小雖然還是 16 字節，但是組成發生了改變，8 字節標記字加 8 字節類型指針，已經能滿足對齊條件，因此不需要填充。

8B (mark word) + 8B (klass pointer) + 0B (instance data) + 0B (padding)
3.2.1 指針壓縮原理

在瞭解了指針壓縮的作用後，我們來看一下指針壓縮是如何實現的。首先在不開啓指針壓縮的情況下，一個對象的內存地址使用 64 位表示，這時能描述的內存地址範圍是：

0 ~ 2^64-1

在開啓指針壓縮後，使用 4 個字節也就是 32 位，可以表示2^32 個內存地址，如果這個地址是真實地址的話，由於 CPU 尋址的最小單位是Byte，那麼就是 4GB 內存。這對於我們來說是遠遠不夠的，但是之前我們說過，java 中對象默認使用了 8 字節對齊，也就是說 1 個對象佔用的空間必須是 8 字節的整數倍，這樣就創造了一個條件，使 jvm 在定位一個對象時不需要使用真正的內存地址，而是定位到由 java 進行了 8 字節映射後的地址（可以說是一個映射地址的編號）。

映射過程也非常簡單，由於使用了 8 字節對齊後每個對象的地址偏移量後 3 位必定爲 0，所以在存儲的時候可以將後 3 位 0 抹除（轉化爲bit是抹除了最後 24 位），在此基礎上再去掉最高位，就完成了指針從 8 字節到 4 字節的壓縮。而在實際使用時，在壓縮後的指針後加 3 位 0，就能夠實現向真實地址的映射。

完成壓縮後，現在指針的 32 位中的每一個bit，都可以代表 8 個字節，這樣就相當於使原有的內存地址得到了 8 倍的擴容。所以在 8 字節對齊的情況下，32 位最大能表示2^32*8=32GB內存，內存地址範圍是：

0 ~ (2^32-1)*8

由於能夠表示的最大內存是 32GB，所以如果配置的最大的堆內存超過這個數值時，那麼指針壓縮將會失效。配置 jvm 啓動參數：

-Xmx32g

查看對象內存佈局：

此時，指針壓縮失效，指針長度恢復到 8 字節。那麼如果業務場景內存超過 32GB 怎麼辦呢，可以通過修改默認對齊長度進行再次擴展，我們將對齊長度修改爲 16 字節：

-XX:ObjectAlignmentInBytes=16 -Xmx32g

可以看到指針壓縮後佔 4 字節，同時對象向 16 字節進行了填充對齊，按照上面的計算，這時配置最大堆內存爲 64GB 時指針壓縮纔會失效。

對指針壓縮做一下簡單總結：

3.3 數組長度

如果當對象是一個數組對象時，那麼在對象頭中有一個保存數組長度的空間，佔用 4 字節（32bit）空間。通過下面代碼進行測試：

public static void main(String[] args) {
    User[] user=new User[2];
    //查看對象的內存佈局
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

運行代碼，結果如下：

內存結構從上到下分別爲：

需要注意的是，在未開啓指針壓縮的情況下，在數組長度後會有一段對齊填充字節：

通過計算：

8B (mark word) + 8B (klass pointer) + 4B (array length) + 16B (instance data)=36B

需要向 8 字節進行對齊，這裏選擇將對齊的 4 字節添加在了數組長度和實例數據之間。

4、實例數據

實例數據（Instance Data）保存的是對象真正存儲的有效信息，保存了代碼中定義的各種數據類型的字段內容，並且如果有繼承關係存在，子類還會包含從父類繼承過來的字段。

aUPUuH

開啓指針壓縮情況下佔 8 字節，開啓指針壓縮後佔 4 字節。

4.1 字段重排序

給 User 類添加基本數據類型的屬性字段：

public class User {
    int id,age,weight;
    byte sex;
    long phone;
    char local;
}

查看內存佈局：

可以看到，在內存中，屬性的排列順序與在類中定義的順序不同，這是因爲 jvm 會採用字段重排序技術，對原始類型進行重新排序，以達到內存對齊的目的。具體規則遵循如下：

上面的前兩條規則相對容易理解，這裏通過舉例對第 3 條進行解釋：

因爲long類型佔 8 字節，所以它的偏移量必定是 8n，再加上前面對象頭佔 12 字節，所以long類型變量的最小偏移量是 16。通過打印對象內存佈局可以發現，當對象頭不是 8 字節的整數倍時（只存在8n+4字節情況），會按從大到小的順序，使用 4、2、1 字節長度的屬性進行補位。爲了和對齊填充進行區分，可以稱其爲前置補位，如果在補位後仍然不滿足 8 字節整數倍，會進行對齊填充。在存在前置補位的情況下，字段的排序會打破上面的第一條規則。

因此在上面的內存佈局中，先使用 4 字節的int進行前置補位，再按第一條規則從大到小順序進行排列。如果我們刪除 3 個int類型的字段，再查看內存佈局：

char和byte類型的變量被提到前面進行前置補位，並在long類型前進行了 1 字節的對齊填充。

4.2 擁有父類情況

public class A {
    int i1,i2;
    long l1,l2;
    char c1,c2;
}
public class B extends A{
    boolean b1;
    double d1,d2;
}

查看內存結構：

public class A {
    int i1,i2;
    long l1;
}
public class B extends A {
    int i1,i2;
    long l1;
}

查看內存結構：

可以看到，子類中較短長度的變量被提前到父類後進行了後置補位。

public class A {
    long l;
}
public class B extends A{
    long l2;
    int i1;
}

查看內存結構：

當 B 類沒有繼承 A 類時，正好滿足 8 字節對齊，不需要進行對齊填充。當 B 類繼承 A 類後，會繼承 A 類的前置補位填充，因此在 B 類的末尾也需要對齊填充。

4.3 引用數據類型

在上面的例子中，僅探討了基本數據類型的排序情況，那麼如果存在引用數據類型時，排序情況是怎樣的呢？在User類中添加引用類型：

public class User {
     int id;
     String firstName;
     String lastName;
     int age;
}

查看內存佈局：

可以看到默認情況下，基本數據類型的變量排在引用數據類型前。這個順序可以在jvm啓動參數中進行修改：

-XX:FieldsAllocationStyle=0

重新運行，可以看到引用數據類型的排列順序被放在了前面：

對FieldsAllocationStyle的不同取值簡要說明：

4.4 靜態變量

在上面的基礎上，在類中加入靜態變量：

public class User {
     int id;
     static byte local;
}

查看內存佈局：

通過結果可以看到，靜態變量並不在對象的內存佈局中，它的大小是不計算在對象中的，因爲靜態變量屬於類而不是屬於某一個對象的。

5、對齊填充字節

在Hotspot的自動內存管理系統中，要求對象的起始地址必須是 8 字節的整數倍，也就是說對象的大小必須滿足 8 字節的整數倍。因此如果實例數據沒有對齊，那麼需要進行對齊補全空缺，補全的bit位僅起佔位符作用，不具有特殊含義。

在前面的例子中，我們已經對對齊填充有了充分的認識，下面再做一些補充：

# 開啓
-XX:+CompactFields
# 關閉
-XX:-CompactFields

測試關閉情況，可以看到較短長度的變量沒有前移填充：

-XX:ObjectAlignmentInBytes

默認情況下對齊寬度爲 8，這個值可以修改爲 2~256 以內 2 的整數冪，一般情況下都以 8 字節對齊或 16 字節對齊。測試修改爲 16 字節對齊：

上面的例子中，在調整爲 16 字節對齊的情況下，最後一行的屬性字段只佔了 6 字節，因此會添加 10 字節進行對齊填充。當然普通情況下不建議修改對齊長度參數，如果對齊寬度過長，可能會導致內存空間的浪費。

6、總結

本文通過使用jol 對 java 對象的結構進行調試，學習了對象內存佈局的基本知識。通過學習，能夠幫助我們：

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/b9gXZLgccK8mWZc0xVk4Ag

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