图文详解Java对象内存布局
作为一名Java程序员，我们在日常工作中使用这款面向对象的编程语言时，做的最频繁的操作大概就是去创建一个个的对象了。对象的创建方式虽然有很多，可以通过new、反射、clone、反序列化等不同方式来创建，但最终使用时对象都要被放到内存中，那么你知道在内存中的java对象是由哪些部分组成、又是怎么存储的吗?
本文将基于代码进行实例测试，详细探讨对象在内存中的组成结构。全文目录结构如下：
- 对象内存结构概述
- JOL 工具简介
- 对象头
- 实例数据
- 对齐填充字节
- 总结
文中代码基于 JDK 1.8.0_261，64-Bit HotSpot 运行
1、对象内存结构概述
在介绍对象在内存中的组成结构前，我们先简要回顾一个对象的创建过程：
1、jvm将对象所在的class文件加载到方法区中
2、jvm读取main方法入口，将main方法入栈，执行创建对象代码
3、在main方法的栈内存中分配对象的引用，在堆中分配内存放入创建的对象，并将栈中的引用指向堆中的对象
所以当对象在实例化完成之后，是被存放在堆内存中的，这里的对象由3部分组成，如下图所示：
对各个组成部分的功能简要进行说明：
- 对象头：对象头存储的是对象在运行时状态的相关信息、指向该对象所属类的元数据的指针，如果对象是数组对象那么还会额外存储对象的数组长度
- 实例数据：实例数据存储的是对象的真正有效数据，也就是各个属性字段的值，如果在拥有父类的情况下，还会包含父类的字段。字段的存储顺序会受到数据类型长度、以及虚拟机的分配策略的影响
- 对齐填充字节：在java对象中，需要对齐填充字节的原因是，64位的jvm中对象的大小被要求向8字节对齐，因此当对象的长度不足8字节的整数倍时，需要在对象中进行填充操作。注意图中对齐填充部分使用了虚线，这是因为填充字节并不是固定存在的部分，这点在后面计算对象大小时具体进行说明
2、JOL 工具简介
在具体开始研究对象的内存结构之前，先介绍一下我们要用到的工具，openjdk官网提供了查看对象内存布局的工具jol (java object layout)，可在maven中引入坐标：
org.openjdk.jol jol-core 0.14
在代码中使用jol提供的方法查看jvm信息：
- System.out.println(VM.current().details());
通过打印出来的信息，可以看到我们使用的是64位 jvm，并开启了指针压缩，对象默认使用8字节对齐方式。通过jol查看对象内存布局的方法，将在后面的例子中具体展示，下面开始对象内存布局的正式学习。
3、对象头
首先看一下对象头(Object header)的组成部分，根据普通对象和数组对象的不同，结构将会有所不同。只有当对象是数组对象才会有数组长度部分，普通对象没有该部分，如下图所示：
在对象头中mark word 占8字节，默认开启指针压缩的情况下klass pointer 占4字节，数组对象的数组长度占4字节。在了解了对象头的基础结构后，现在以一个不包含任何属性的空对象为例，查看一下它的内存布局，创建User类：
- public class User {
- }
使用jol查看对象头的内存布局：
- public static void main(String[] args) {
- User user=new User();
- //查看对象的内存布局
- System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
- }
执行代码，查看打印信息：
- OFFSET：偏移地址，单位为字节
- SIZE：占用内存大小，单位为字节
- TYPE：Class中定义的类型
- DESCRIPTION：类型描述，Obejct header 表示对象头，alignment表示对齐填充
- VALUE：对应内存中存储的值
当前对象共占用16字节，因为8字节标记字加4字节的类型指针，不满足向8字节对齐，因此需要填充4个字节：
- 8B (mark word) + 4B (klass pointer) + 0B (instance data) + 4B (padding)
这样我们就通过直观的方式，了解了一个不包含属性的最简单的空对象，在内存中的基本组成是怎样的。在此基础上，我们来深入学习对象头中各个组成部分。
3.1 Mark Word 标记字
在对象头中，mark word 一共有64个bit，用于存储对象自身的运行时数据，标记对象处于以下5种状态中的某一种：
3.1.1 基于mark word的锁升级
在jdk6 之前，通过synchronized关键字加锁时使用无差别的的重量级锁，重量级锁会造成线程的串行执行，并且使cpu在用户态和核心态之间频繁切换。随着对synchronized的不断优化，提出了锁升级的概念，并引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁。在mark word中，锁(lock)标志位占用2个bit，结合1个bit偏向锁(biased_lock)标志位，这样通过倒数的3位，就能用来标识当前对象持有的锁的状态，并判断出其余位存储的是什么信息。
基于mark word的锁升级的流程如下：
1、锁对象刚创建时，没有任何线程竞争，对象处于无锁状态。在上面打印的空对象的内存布局中，根据大小端，得到最后8位是00000001，表示处于无锁态，并且处于不可偏向状态。这是因为在jdk中偏向锁存在延迟4秒启动，也就是说在jvm启动后4秒后创建的对象才会开启偏向锁，我们通过jvm参数取消这个延迟时间：
- -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
这时最后3位为101，表示当前对象的锁没有被持有，并且处于可被偏向状态。
2、在没有线程竞争的条件下，第一个获取锁的线程通过CAS将自己的threadId写入到该对象的mark word中，若后续该线程再次获取锁，需要比较当前线程threadId和对象mark word中的threadId是否一致，如果一致那么可以直接获取，并且锁对象始终保持对该线程的偏向，也就是说偏向锁不会主动释放。
使用代码进行测试同一个线程重复获取锁的过程：
- 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());
- }
- }
执行结果：
可以看到一个线程对一个对象加锁、解锁、重新获取对象的锁时，mark word都没有发生变化，偏向锁中的当前线程指针始终指向同一个线程。
3、当两个或以上线程交替获取锁，但并没有在对象上并发的获取锁时，偏向锁升级为轻量级锁。在此阶段，线程采取CAS的自旋方式尝试获取锁，避免阻塞线程造成的cpu在用户态和内核态间转换的消耗。测试代码如下：
- 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());
- }
先直接看一下结果：
整个加锁状态的变化流程如下：
- 主线程首先对user对象加锁，首次加锁为101偏向锁
- 子线程等待主线程释放锁后，对user对象加锁，这时将偏向锁升级为00轻量级锁
- 轻量级锁解锁后，user对象无线程竞争，恢复为001无锁态，并且处于不可偏向状态。如果之后有线程再尝试获取user对象的锁，会直接加轻量级锁，而不是偏向锁
4、当两个或以上线程并发的在同一个对象上进行同步时，为了避免无用自旋消耗cpu，轻量级锁会升级成重量级锁。这时mark word中的指针指向的是monitor对象(也被称为管程或监视器锁)的起始地址。测试代码如下：
- 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();
- }
查看结果：
可以看到，在两个线程同时竞争user对象的锁时，会升级为10重量级锁。
3.1.2 其他信息
对mark word 中其他重要信息进行说明：
hashcode：无锁态下的hashcode采用了延迟加载技术，在第一次调用hashCode()方法时才会计算写入。对这一过程进行验证：
- public static void main(String[] args) {
- User user=new User();
- //打印内存布局
- System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
- //计算hashCode
- System.out.println(user.hashCode());
- //再次打印内存布局
- System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
- }
可以看到，在没有调用hashCode()方法前，31位的哈希值不存在，全部填充为0。在调用方法后，根据大小端，被填充的数据为：
- 1011001001101100011010010101101
将2进制转换为10进制，对应哈希值1496724653。需要注意，只有在调用没有被重写的Object.hashCode()方法或System.identityHashCode(Object)方法才会写入mark word，执行用户自定义的hashCode()方法不会被写入。
大家可能会注意到，当对象被加锁后，mark word中就没有足够空间来保存hashCode了，这时hashcode会被移动到重量级锁的Object Monitor中。
- epoch：偏向锁的时间戳
- 分代年龄(age)：在jvm的垃圾回收过程中，每当对象经过一次Young GC，年龄都会加1，这里4位来表示分代年龄最大值为15，这也就是为什么对象的年龄超过15后会被移到老年代的原因。在启动时可以通过添加参数来改变年龄阈值：
- -XX:MaxTenuringThreshold
当设置的阈值超过15时，启动时会报错：
3.2 Klass Pointer 类型指针
Klass Pointer是一个指向方法区中Class信息的指针，虚拟机通过这个指针确定该对象属于哪个类的实例。在64位的JVM中，支持指针压缩功能，根据是否开启指针压缩，Klass Pointer占用的大小将会不同：
- 未开启指针压缩时，类型指针占用8B (64bit)
- 开启指针压缩情况下，类型指针占用4B (32bit)
在jdk6之后的版本中，指针压缩是被默认开启的，可通过启动参数开启或关闭该功能：
- #开启指针压缩：
- -XX:+UseCompressedOops
- #关闭指针压缩：
- -XX:-UseCompressedOops
还是以刚才的User类为例，关闭指针压缩后再次查看对象的内存布局：
对象大小虽然还是16字节，但是组成发生了改变，8字节标记字加8字节类型指针，已经能满足对齐条件，因此不需要填充。
- 8B (mark word) + 8B (klass pointer) + 0B (instance data) + 0B (padding)
3.2.1 指针压缩原理
在了解了指针压缩的作用后，我们来看一下指针压缩是如何实现的。首先在不开启指针压缩的情况下，一个对象的内存地址使用64位表示，这时能描述的内存地址范围是：
- 0 ~ 2^64-1
在开启指针压缩后，使用4个字节也就是32位，可以表示2^32 个内存地址，如果这个地址是真实地址的话，由于CPU寻址的最小单位是Byte，那么就是4GB内存。这对于我们来说是远远不够的，但是之前我们说过，java中对象默认使用了8字节对齐，也就是说1个对象占用的空间必须是8字节的整数倍，这样就创造了一个条件，使jvm在定位一个对象时不需要使用真正的内存地址，而是定位到由java进行了8字节映射后的地址(可以说是一个映射地址的编号)。
映射过程也非常简单，由于使用了8字节对齐后每个对象的地址偏移量后3位必定为0，所以在存储的时候可以将后3位0抹除(转化为bit是抹除了最后24位)，在此基础上再去掉最高位，就完成了指针从8字节到4字节的压缩。而在实际使用时，在压缩后的指针后加3位0，就能够实现向真实地址的映射。
完成压缩后，现在指针的32位中的每一个bit，都可以代表8个字节，这样就相当于使原有的内存地址得到了8倍的扩容。所以在8字节对齐的情况下，32位最大能表示2^32*8=32GB内存，内存地址范围是：
- 0 ~ (2^32-1)*8
由于能够表示的最大内存是32GB，所以如果配置的最大的堆内存超过这个数值时，那么指针压缩将会失效。配置jvm启动参数：
- -Xmx32g
查看对象内存布局：
此时，指针压缩失效，指针长度恢复到8字节。那么如果业务场景内存超过32GB怎么办呢，可以通过修改默认对齐长度进行再次扩展，我们将对齐长度修改为16字节：
- -XX:ObjectAlignmentInBytes=16 -Xmx32g
可以看到指针压缩后占4字节，同时对象向16字节进行了填充对齐，按照上面的计算，这时配置最大堆内存为64GB时指针压缩才会失效。
对指针压缩做一下简单总结：
- 通过指针压缩，利用对齐填充的特性，通过映射方式达到了内存地址扩展的效果
- 指针压缩能够节省内存空间，同时提高了程序的寻址效率
- 堆内存设置时最好不要超过32GB，这时指针压缩将会失效，造成空间的浪费
- 此外，指针压缩不仅可以作用于对象头的类型指针，还可以作用于引用类型的字段指针，以及引用类型数组指针
3.3 数组长度
如果当对象是一个数组对象时，那么在对象头中有一个保存数组长度的空间，占用4字节(32bit)空间。通过下面代码进行测试：
- public static void main(String[] args) {
- User[] user=new User[2];
- //查看对象的内存布局
- System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
- }
运行代码，结果如下：
内存结构从上到下分别为：
- 8字节mark word
- 4字节klass pointer
- 4字节数组长度，值为2，表示数组中有两个元素
- 开启指针压缩后每个引用类型占4字节，数组中两个元素共占8字节
需要注意的是，在未开启指针压缩的情况下，在数组长度后会有一段对齐填充字节：
通过计算：
- 8B (mark word) + 8B (klass pointer) + 4B (array length) + 16B (instance data)=36B
需要向8字节进行对齐，这里选择将对齐的4字节添加在了数组长度和实例数据之间。
4、实例数据
实例数据(Instance Data)保存的是对象真正存储的有效信息，保存了代码中定义的各种数据类型的字段内容，并且如果有继承关系存在，子类还会包含从父类继承过来的字段。
- 基本数据类型：
- 引用数据类型：
开启指针压缩情况下占8字节，开启指针压缩后占4字节。
4.1 字段重排序
给User类添加基本数据类型的属性字段：
- public class User {
- int id,age,weight;
- byte sex;
- long phone;
- char local;
- }
查看内存布局：
可以看到，在内存中，属性的排列顺序与在类中定义的顺序不同，这是因为jvm会采用字段重排序技术，对原始类型进行重新排序，以达到内存对齐的目的。具体规则遵循如下：
- 按照数据类型的长度大小，从大到小排列
- 具有相同长度的字段，会被分配在相邻位置
- 如果一个字段的长度是L个字节，那么这个字段的偏移量(OFFSET)需要对齐至nL(n为整数)
上面的前两条规则相对容易理解，这里通过举例对第3条进行解释：
因为long类型占8字节，所以它的偏移量必定是8n，再加上前面对象头占12字节，所以long类型变量的最小偏移量是16。通过打印对象内存布局可以发现，当对象头不是8字节的整数倍时(只存在8n+4字节情况)，会按从大到小的顺序，使用4、2、1字节长度的属性进行补位。为了和对齐填充进行区分，可以称其为前置补位，如果在补位后仍然不满足8字节整数倍，会进行对齐填充。在存在前置补位的情况下，字段的排序会打破上面的第一条规则。
因此在上面的内存布局中，先使用4字节的int进行前置补位，再按第一条规则从大到小顺序进行排列。如果我们删除3个int类型的字段，再查看内存布局：
char和byte类型的变量被提到前面进行前置补位，并在long类型前进行了1字节的对齐填充。
4.2 拥有父类情况
当一个类拥有父类时，整体遵循在父类中定义的变量出现在子类中定义的变量之前的原则
- public class A {
- int i1,i2;
- long l1,l2;
- char c1,c2;
- }
- public class B extends A{
- boolean b1;
- double d1,d2;
- }
查看内存结构：
如果父类需要后置补位的情况，可能会将子类中类型长度较短的变量提前，但是整体还是遵循子类在父类之后的原则
- public class A {
- int i1,i2;
- long l1;
- }
- public class B extends A {
- int i1,i2;
- long l1;
- }
查看内存结构：
可以看到，子类中较短长度的变量被提前到父类后进行了后置补位。
父类的前置对齐填充会被子类继承
- public class A {
- long l;
- }
- public class B extends A{
- long l2;
- int i1;
- }
查看内存结构：
当B类没有继承A类时，正好满足8字节对齐，不需要进行对齐填充。当B类继承A类后，会继承A类的前置补位填充，因此在B类的末尾也需要对齐填充。
4.3 引用数据类型
在上面的例子中，仅探讨了基本数据类型的排序情况，那么如果存在引用数据类型时，排序情况是怎样的呢?在User类中添加引用类型：
- public class User {
- int id;
- String firstName;
- String lastName;
- int age;
- }
查看内存布局：
可以看到默认情况下，基本数据类型的变量排在引用数据类型前。这个顺序可以在jvm启动参数中进行修改：
- -XX:FieldsAllocationStyle=0
重新运行，可以看到引用数据类型的排列顺序被放在了前面：
对FieldsAllocationStyle的不同取值简要说明：
- 0：先放入普通对象的引用指针，再放入基本数据类型变量
- 1：默认情况，表示先放入基本数据类型变量，再放入普通对象的引用指针
4.4 静态变量
在上面的基础上，在类中加入静态变量：
- public class User {
- int id;
- static byte local;
- }
查看内存布局：
通过结果可以看到，静态变量并不在对象的内存布局中，它的大小是不计算在对象中的，因为静态变量属于类而不是属于某一个对象的。
5、对齐填充字节
在Hotspot的自动内存管理系统中，要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，也就是说对象的大小必须满足8字节的整数倍。因此如果实例数据没有对齐，那么需要进行对齐补全空缺，补全的bit位仅起占位符作用，不具有特殊含义。
在前面的例子中，我们已经对对齐填充有了充分的认识，下面再做一些补充：
- 在开启指针压缩的情况下，如果类中有long/double类型的变量时，会在对象头和实例数据间形成间隙(gap)，为了节省空间，会默认把较短长度的变量放在前边，这一功能可以通过jvm参数进行开启或关闭：
- # 开启
- -XX:+CompactFields
- # 关闭
- -XX:-CompactFields
测试关闭情况，可以看到较短长度的变量没有前移填充：
在前面指针压缩中，我们提到了可以改变对齐宽度，这也是通过修改下面的jvm参数配置实现的：
- -XX:ObjectAlignmentInBytes
默认情况下对齐宽度为8，这个值可以修改为2~256以内2的整数幂，一般情况下都以8字节对齐或16字节对齐。测试修改为16字节对齐：
上面的例子中，在调整为16字节对齐的情况下，最后一行的属性字段只占了6字节，因此会添加10字节进行对齐填充。当然普通情况下不建议修改对齐长度参数，如果对齐宽度过长，可能会导致内存空间的浪费。
6、总结
本文通过使用jol 对java对象的结构进行调试，学习了对象内存布局的基本知识。通过学习，能够帮助我们：
- 掌握对象内存布局，基于此基础进行jvm参数调优
- 了解对象头在synchronize 的锁升级过程中的作用
- 熟悉 jvm 中对象的寻址过程
- 通过计算对象大小，可以在评估业务量的基础上在项目上线前预估需要使用多少内存，防止服务器频繁gc
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