99.9%的Java程序員都說不清的問題：JVM中的對象內存佈局？

做者：李瑞傑

目前就任於阿里巴巴，資深 JVM 研究人員

在 Java 程序中，咱們擁有多種新建對象的方式。除了最爲常見的 new 語句以外，咱們還能夠經過反射機制、Object.clone 方法、反序列化以及 Unsafe.allocateInstance 方法來新建對象。

其中，Object.clone 方法和反序列化經過直接複製已有的數據，來初始化新建對象的實例字段。

Unsafe.allocateInstance 方法則沒有初始化實例字段，而 new 語句和反射機制，則是經過調用構造器來初始化實例字段。

咱們先來考察new語句，準備一個類，以下圖所示

讓咱們編譯他的字節碼：

能夠看到，new語句編譯而成的字節碼將包含用來請求內存的 new 指令，以及用來調用構造器的 invokespecial 指令。

本文不是專門介紹invoke系列指令的，我會在後面的文章中介紹invoke系列指令。

不過在這裏我多說一嘴，字節碼中的invokespecial指令一般用於調用私有實例方法、構造器，以及使用super關鍵字調用父類的實例方法或構造器，和所實現接口的默認方法。

提到構造器，就不得不提到 Java 對構造器的諸多約束。首先，若是一個類沒有定義任何構造器的話， Java 編譯器會自動添加一個無參數的構造器。

咱們剛纔的TestNew類，他的字節碼編譯出來後，有下面的片斷。

在JAVA源碼中，咱們沒有定義構造器，可是生成出來的字節碼，已經自動幫咱們添加了一個無參數的構造器。他使用的invokespecial方法最終調用的是其父類Object類的構造器方法。

我將講述JVM的構造器調用原則，那就是，若是子類的構造器須要調用父類的構造器。若是父類存在無參數構造器的話，該調用能夠是隱式的。也就是說， Java 編譯器會自動添加對父類構造器的調用。

可是，若是父類沒有無參數構造器，那麼子類的構造器則須要顯式地調用父類帶參數的構造器。

顯式調用有兩種，一是直接使用「super」關鍵字調用父類構造器，二是使用「this」關鍵字調用同一個類中的其餘構造器。

不管是直接的顯式調用，仍是間接的顯式調用，都須要做爲構造器的第一條語句，以便優先初始化繼承而來的父類字段。

能夠不優先初始化繼承來的父類字段嗎？能夠，若是你能使用字節碼注入工具的話。

當咱們調用一個構造器時，它將優先調用父類的構造器，直至 Object 類。這些構造器的調用者皆爲同一對象，也就是經過 new 指令新建而來的對象。

事實上，我上面的陳述意味着：經過 new 指令新建出來的對象，它的內存其實涵蓋了全部父類中的實例字段。

也就是說，雖然子類沒法訪問父類的私有實例字段，或者子類的實例字段隱藏了父類的同名實例字段，可是子類的實例仍是會爲這些父類實例字段分配內存的。

下面我將介紹壓縮指針技術。在 Java 虛擬機中，每一個 Java 對象都有一個對象頭，它由標記字段和類型指針所構成。

標記字段用以存儲 Java 虛擬機有關該對象的運行數據，如哈希碼、GC 信息以及鎖信息，而類型指針則指向該對象的類。

在64位的JVM中，對象頭的標記字段佔 64 位，而類型指針又佔了 64 位。也就是說，每個 Java 對象在內存中的額外開銷就是 16 個字節。

爲了儘可能較少對象的內存使用量，64位JVM引入了壓縮指針的概念，將堆中本來64位的Java對象指針壓縮成32位的。

這樣一來，對象頭中的類型指針也會被壓縮成32位，使得對象頭的大小從16字節降至12字節。

固然，壓縮指針不只能夠做用於對象頭的類型指針，還能夠做用於引用類型的字段，以及引用類型數組。

它的原理是什麼？答案是內存對齊。

咱們規定，默認狀況下，JVM堆中對象的起始地址須要對齊至8的倍數，若是一個對象用不到8N 個字節，那麼空白的那部分空間就浪費掉了，這些浪費掉的空間咱們稱之爲對象間的填充。

你們知道，指針裏面存放的是地址，因爲堆中對象的起始地址是對齊至8的倍數，因此指針存放一個引用（或者對象的類）的內存地址時，根本就不用存放最後的三位二進制數。

由於全部對象或類的內存地址都對齊了8，因此他們的內存地址的最低三位老是0，32位的指針就能夠尋址到 2 的 35 次方個字節，也就是 32GB 的地址空間（超過 32GB 則會關閉壓縮指針）。

咱們能夠經過配置虛擬機的內存對齊選項來進一步提高尋址範圍。可是，這同時也可能增長對象間填充，致使壓縮指針沒有達到本來節省空間的效果。

就算是關閉了壓縮指針，Java 虛擬機仍是會進行內存對齊。此外，內存對齊不只存在於對象與對象之間，也存在於對象中的字段之間。

好比說，Java 虛擬機要求long字段、double字段，以及非壓縮指針狀態下的引用字段地址爲8的倍數。

這是爲何呢？

CPU的緩存行機制你們應該有所耳聞，若是字段不是對齊的，那麼就有可能出現跨緩存行的字段。

該字段的讀取可能須要替換兩個緩存行，而該字段的存儲也會同時污染兩個緩存行。

咱們將在後期文章關於volatile關鍵詞的本質分析的過程當中，再次考察到CPU緩存行的相關機制。

最後我要提一句的是，字段重排列技術，就是我剛纔提到的，對象的字段之間存在的內存對齊。這指的是從新分配字段的前後順序，以達到內存對齊的目的

它有如下兩個規則：

其一，若是一個字段佔據C個字節，那麼該字段的偏移量須要對齊至NC。這裏的偏移量指的是字段地址與對象的起始地址差值。

以Long類爲例，它僅有一個long類型的實例字段。在使用了壓縮指針的 64 位虛擬機中，儘管對象頭的大小爲12個字節，該 long 類型字段的偏移量也只能是16，而中間空着的4個字節便會被浪費掉。

其二，子類所繼承字段的偏移量，須要與父類對應字段的偏移量保持一致。

說白了，好比B繼承了A，A是B的父類，A中全部的字段，在B中都有，並且是先放A的字段，再放B的字段。並且B類對象放A類字段時，須要與父類對應字段的偏移量保持一致。

接下來我說一個拓展內容吧，什麼是虛共享？

假設兩個線程分別訪問同一對象中不一樣的 volatile 字段，邏輯上它們並無共享內容，所以不須要同步。

若是這兩個字段剛好在同一個緩存行中，那麼對這些字段的寫操做會致使緩存行的寫回，也就形成了實質上的共享。

Java8還引入了一個新的註釋@Contended，用來解決對象字段之間的虛共享。

Java 虛擬機會讓不一樣的@Contended字段處於獨立的緩存行中，所以你會看到大量的空間被浪費掉，避免無謂的緩存行同步操做。

具體的算法屬於實現細節了，你們有興趣能夠去用：

-XX:-RestrictContended

這個虛擬機選項，查看Contended字段的內存佈局。

END

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