Java對象的內存佈局

今天來說些抽象的東西 -- 對象頭，由於我在學習的過程當中發現不少地方都關聯到了對象頭的知識點，例如JDK中的 synchronized鎖優化 和 JVM 中對象年齡升級等等。要深刻理解這些知識的原理，瞭解對象頭的概念頗有必要，並且能夠爲後面分享 synchronized 原理和 JVM 知識的時候作準備。

對象內存構成

Java 中經過 new 關鍵字建立一個類的實例對象，對象存於內存的堆中並給其分配一個內存地址，那麼是否想過以下這些問題：

• 這個實例對象是以怎樣的形態存在內存中的？
• 一個Object對象在內存中佔用多大？
• 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，由如下三部分組成：

• 對象頭（object header）：包括了關於堆對象的佈局、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）：爲了字節對齊，填充的數據，不是必須的。

對象頭

咱們能夠在Hotspot官方文檔中找到它的描述(下圖)。從中能夠發現，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，若是對象是一個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，由於虛擬機能夠經過普通Java對象的元數據信息肯定Java對象的大小，可是從數組的元數據中沒法肯定數組的大小。

它裏面提到了對象頭由兩個字組成，這兩個字是什麼呢？咱們仍是在上面的那個Hotspot官方文檔中往上看，能夠發現還有另外兩個名詞的定義解釋，分別是 mark word 和 klass pointer。

從中能夠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、鎖狀態標誌、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。咱們打開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，能夠從註釋中看到它們的組成，本文全部代碼是基於Jdk1.8。

Mark Word在不一樣的鎖狀態下存儲的內容不一樣，在32位JVM中是這麼存的

在64位JVM中是這麼存的

雖然它們在不一樣位數的JVM中長度不同，可是基本組成內容是一致的。

• 鎖標誌位（lock）：區分鎖狀態，11時表示對象待GC回收狀態, 只有最後2位鎖標識(11)有效。
• biased_lock：是否偏向鎖，因爲正常鎖和偏向鎖的鎖標識都是 01，沒辦法區分，這裏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，並把結果賦值到這裏。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，對象這裏就會被置爲該線程的ID。 在後面的操做中，就無需再進行嘗試獲取鎖的動做。
• epoch：偏向鎖在CAS鎖操做過程當中，偏向性標識，表示對象更偏向哪一個鎖。
• 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使用原子操做而不是OS互斥。這種技術稱爲輕量級鎖定。在輕量級鎖定的狀況下，JVM經過CAS操做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。若是兩個不一樣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。在重量級鎖定的狀況下，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，虛擬機經過這個指針來肯定這個對象是哪一個類的實例。

實例數據

若是對象有屬性字段，則這裏會有數據信息。若是對象無屬性字段，則這裏就不會有數據。根據字段類型的不一樣佔不一樣的字節，例如boolean類型佔1個字節，int類型佔4個字節等等；

對齊數據

對象能夠有對齊數據也能夠沒有。默認狀況下，Java虛擬機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個字節則須要對其填充，以此來補齊對象頭和實例數據佔用內存以後剩餘的空間大小。若是對象頭和實例數據已經佔滿了JVM所分配的內存空間，那麼就不用再進行對齊填充了。

全部的對象分配的字節總SIZE須要是8的倍數，若是前面的對象頭和實例數據佔用的總SIZE不知足要求，則經過對齊數據來填滿。

爲何要對齊數據？字段內存對齊的其中一個緣由，是讓字段只出如今同一CPU的緩存行中。若是字段不是對齊的，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。這兩種狀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爲了計算機高效尋址。

至此，咱們已經瞭解了對象在堆內存中的總體結構佈局，以下圖所示

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？學習是須要持懷疑的態度的，任何理論和概念只有本身證明和實踐以後才能接受它。還好 openjdk 給咱們提供了一個工具包，能夠用來獲取對象的信息和虛擬機的信息，咱們只需引入 jol-core 依賴，以下

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

jol-core 經常使用的三個方法

• 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

爲了簡單化，咱們不用複雜的對象，本身建立一個類 D，先看無屬性字段的時候

public class D {
}
複製代碼

經過 jol-core 的 api，咱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());
}
複製代碼

最後的打印結果爲

能夠看到有 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：佔用的內存大小，單位爲字節；
• TYPE DESCRIPTION：類型描述，其中object header爲對象頭；
• VALUE：對應內存中當前存儲的值，二進制32位；

能夠看到，d對象實例共佔據16byte，對象頭（object header）佔據12byte（96bit），其中 mark word佔8byte（64bit），klass pointe 佔4byte，另外剩餘4byte是填充對齊的。

這裏因爲默認開啓了指針壓縮 ，因此對象頭佔了12byte，具體的指針壓縮的概念這裏就再也不闡述了，感興趣的讀者能夠本身查閱下官方文檔。jdk8版本是默認開啓指針壓縮的，能夠經過配置vm參數開啓關閉指針壓縮，-XX:-UseCompressedOops。

若是關閉指針壓縮從新打印對象的內存佈局，能夠發現總SIZE變大了，從下圖中能夠看到，對象頭所佔用的內存大小變爲16byte（128bit），其中 mark word佔8byte，klass pointe 佔8byte，無對齊填充。

開啓指針壓縮能夠減小對象的內存使用。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增長了4byte，這裏因爲D對象是無屬性的，讀者能夠試試增長几個屬性字段來看下，這樣會明顯的發現SIZE增加。所以開啓指針壓縮，理論上來說，大約能節省百分之五十的內存。jdk8及之後版本已經默認開啓指針壓縮，無需配置。

數組對象

上面使用的是普通對象，咱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());
}
複製代碼

打印的內存佈局信息，以下

能夠看到這時總SIZE爲共24byte，對象頭佔16byte，其中Mark Work佔8byte，Klass Point 佔4byte，array length 佔4byte，由於裏面只有一個int 類型的1，因此數組對象的實例數據佔據4byte，剩餘對齊填充佔據4byte。

結尾

通過以上的內容咱們瞭解了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，在咱們後續分析 synchronize 鎖優化 和 JVM 垃圾回收年齡代的時候會有很大做用。

JVM中你們是否還記得對象在Suvivor中每熬過一次MinorGC，年齡就增長1，當它的年齡增長到必定程度後就會被晉升到老年代中，這個次數默認是15歲，有想過爲何是15嗎？在Mark Word中能夠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。