作為一名 Java 程序員，我們?cè)谌粘９ぷ髦惺褂眠@款面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言時(shí)，做的最頻繁的操作大概就是去創(chuàng)建一個(gè)個(gè)的對(duì)象了。對(duì)象的創(chuàng)建方式雖然有很多，可以通過(guò)new、反射、clone、反序列化等不同方式來(lái)創(chuàng)建，但最終使用時(shí)對(duì)象都要被放到內(nèi)存中，那么你知道在內(nèi)存中的 java 對(duì)象是由哪些部分組成、又是怎么存儲(chǔ)的嗎？
本文將基于代碼進(jìn)行實(shí)例測(cè)試，詳細(xì)探討對(duì)象在內(nèi)存中的組成結(jié)構(gòu)。全文目錄結(jié)構(gòu)如下：
- 1、對(duì)象內(nèi)存結(jié)構(gòu)概述
- 2、JOL 工具簡(jiǎn)介
- 3、對(duì)象頭
- 4、實(shí)例數(shù)據(jù)
- 5、對(duì)齊填充字節(jié)
- 6、總結(jié)
文中代碼基于 JDK 1.8.0_261，64-Bit HotSpot 運(yùn)行
1、對(duì)象內(nèi)存結(jié)構(gòu)概述
在介紹對(duì)象在內(nèi)存中的組成結(jié)構(gòu)前，我們先簡(jiǎn)要回顧一個(gè)對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程：
1、jvm 將對(duì)象所在的class文件加載到方法區(qū)中
2、jvm 讀取main方法入口，將main方法入棧，執(zhí)行創(chuàng)建對(duì)象代碼
3、在main方法的棧內(nèi)存中分配對(duì)象的引用，在堆中分配內(nèi)存放入創(chuàng)建的對(duì)象，并將棧中的引用指向堆中的對(duì)象
所以當(dāng)對(duì)象在實(shí)例化完成之后，是被存放在堆內(nèi)存中的，這里的對(duì)象由 3 部分組成，如下圖所示：
對(duì)各個(gè)組成部分的功能簡(jiǎn)要進(jìn)行說(shuō)明：
- 對(duì)象頭：對(duì)象頭存儲(chǔ)的是對(duì)象在運(yùn)行時(shí)狀態(tài)的相關(guān)信息、指向該對(duì)象所屬類(lèi)的元數(shù)據(jù)的指針，如果對(duì)象是數(shù)組對(duì)象那么還會(huì)額外存儲(chǔ)對(duì)象的數(shù)組長(zhǎng)度
- 實(shí)例數(shù)據(jù)：實(shí)例數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的是對(duì)象的真正有效數(shù)據(jù)，也就是各個(gè)屬性字段的值，如果在擁有父類(lèi)的情況下，還會(huì)包含父類(lèi)的字段。字段的存儲(chǔ)順序會(huì)受到數(shù)據(jù)類(lèi)型長(zhǎng)度、以及虛擬機(jī)的分配策略的影響
- 對(duì)齊填充字節(jié)：在 java 對(duì)象中，需要對(duì)齊填充字節(jié)的原因是，64 位的 jvm 中對(duì)象的大小被要求向8字節(jié)對(duì)齊，因此當(dāng)對(duì)象的長(zhǎng)度不足8字節(jié)的整數(shù)倍時(shí)，需要在對(duì)象中進(jìn)行填充操作。注意圖中對(duì)齊填充部分使用了虛線，這是因?yàn)樘畛渥止?jié)并不是固定存在的部分，這點(diǎn)在后面計(jì)算對(duì)象大小時(shí)具體進(jìn)行說(shuō)明
2、JOL 工具簡(jiǎn)介
在具體開(kāi)始研究對(duì)象的內(nèi)存結(jié)構(gòu)之前，先介紹一下我們要用到的工具，openjdk官網(wǎng)提供了查看對(duì)象內(nèi)存布局的工具jol (java object layout)，可在maven中引入坐標(biāo)：
<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(guò)打印出來(lái)的信息，可以看到我們使用的是 64 位 jvm，并開(kāi)啟了指針壓縮，對(duì)象默認(rèn)使用 8 字節(jié)對(duì)齊方式。通過(guò)jol查看對(duì)象內(nèi)存布局的方法，將在后面的例子中具體展示，下面開(kāi)始對(duì)象內(nèi)存布局的正式學(xué)習(xí)。
3、對(duì)象頭
首先看一下對(duì)象頭（Object header）的組成部分，根據(jù)普通對(duì)象和數(shù)組對(duì)象的不同，結(jié)構(gòu)將會(huì)有所不同。只有當(dāng)對(duì)象是數(shù)組對(duì)象才會(huì)有數(shù)組長(zhǎng)度部分，普通對(duì)象沒(méi)有該部分，如下圖所示：
在對(duì)象頭中mark word 占8字節(jié)，默認(rèn)開(kāi)啟指針壓縮的情況下klass pointer 占4字節(jié)，數(shù)組對(duì)象的數(shù)組長(zhǎng)度占4字節(jié)。在了解了對(duì)象頭的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后，現(xiàn)在以一個(gè)不包含任何屬性的空對(duì)象為例，查看一下它的內(nèi)存布局，創(chuàng)建User類(lèi)：
public class User {
}
使用jol查看對(duì)象頭的內(nèi)存布局：
public static void main(String[] args) {
User user=new User();
//查看對(duì)象的內(nèi)存布局
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}執(zhí)行代碼，查看打印信息：
OFFSET：偏移地址，單位為字節(jié)SIZE：占用內(nèi)存大小，單位為字節(jié)TYPE：Class中定義的類(lèi)型DESCRIPTION：類(lèi)型描述，Obejct header表示對(duì)象頭，alignment表示對(duì)齊填充VALUE：對(duì)應(yīng)內(nèi)存中存儲(chǔ)的值
當(dāng)前對(duì)象共占用16字節(jié)，因?yàn)?字節(jié)標(biāo)記字加4字節(jié)的類(lèi)型指針，不滿(mǎn)足向8字節(jié)對(duì)齊，因此需要填充4個(gè)字節(jié)：
8B (mark word) + 4B (klass pointer) + 0B (instance data) + 4B (padding)這樣我們就通過(guò)直觀的方式，了解了一個(gè)不包含屬性的最簡(jiǎn)單的空對(duì)象，在內(nèi)存中的基本組成是怎樣的。在此基礎(chǔ)上，我們來(lái)深入學(xué)習(xí)對(duì)象頭中各個(gè)組成部分。
3.1 Mark Word 標(biāo)記字
在對(duì)象頭中，mark word 一共有64個(gè)bit，用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，標(biāo)記對(duì)象處于以下5種狀態(tài)中的某一種：
3.1.1 基于mark word的鎖升級(jí)
在jdk6 之前，通過(guò)synchronized關(guān)鍵字加鎖時(shí)使用無(wú)差別的的重量級(jí)鎖，重量級(jí)鎖會(huì)造成線程的串行執(zhí)行，并且使cpu在用戶(hù)態(tài)和核心態(tài)之間頻繁切換。隨著對(duì)synchronized的不斷優(yōu)化，提出了鎖升級(jí)的概念，并引入了偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖。在mark word中，鎖（lock）標(biāo)志位占用2個(gè)bit，結(jié)合1個(gè)bit偏向鎖（biased_lock）標(biāo)志位，這樣通過(guò)倒數(shù)的3位，就能用來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前對(duì)象持有的鎖的狀態(tài)，并判斷出其余位存儲(chǔ)的是什么信息。
基于mark word的鎖升級(jí)的流程如下：
1、鎖對(duì)象剛創(chuàng)建時(shí)，沒(méi)有任何線程競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)象處于無(wú)鎖狀態(tài)。在上面打印的空對(duì)象的內(nèi)存布局中，根據(jù)大小端，得到最后8位是00000001，表示處于無(wú)鎖態(tài)，并且處于不可偏向狀態(tài)。這是因?yàn)樵趈dk中偏向鎖存在延遲4秒啟動(dòng)，也就是說(shuō)在jvm啟動(dòng)后4秒后創(chuàng)建的對(duì)象才會(huì)開(kāi)啟偏向鎖，我們通過(guò)jvm參數(shù)取消這個(gè)延遲時(shí)間：
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
這時(shí)最后3位為101，表示當(dāng)前對(duì)象的鎖沒(méi)有被持有，并且處于可被偏向狀態(tài)。
2、在沒(méi)有線程競(jìng)爭(zhēng)的條件下，第一個(gè)獲取鎖的線程通過(guò)CAS將自己的threadId寫(xiě)入到該對(duì)象的mark word中，若后續(xù)該線程再次獲取鎖，需要比較當(dāng)前線程threadId和對(duì)象mark word中的threadId是否一致，如果一致那么可以直接獲取，并且鎖對(duì)象始終保持對(duì)該線程的偏向，也就是說(shuō)偏向鎖不會(huì)主動(dòng)釋放。
使用代碼進(jìn)行測(cè)試同一個(gè)線程重復(fù)獲取鎖的過(guò)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(zhí)行結(jié)果：
可以看到一個(gè)線程對(duì)一個(gè)對(duì)象加鎖、解鎖、重新獲取對(duì)象的鎖時(shí)，mark word都沒(méi)有發(fā)生變化，偏向鎖中的當(dāng)前線程指針始終指向同一個(gè)線程。
3、當(dāng)兩個(gè)或以上線程交替獲取鎖，但并沒(méi)有在對(duì)象上并發(fā)的獲取鎖時(shí)，偏向鎖升級(jí)為輕量級(jí)鎖。在此階段，線程采取CAS的自旋方式嘗試獲取鎖，避免阻塞線程造成的cpu在用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)間轉(zhuǎn)換的消耗。測(cè)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(jié)果：
整個(gè)加鎖狀態(tài)的變化流程如下：
- 主線程首先對(duì) user 對(duì)象加鎖，首次加鎖為
101偏向鎖 - 子線程等待主線程釋放鎖后，對(duì)user對(duì)象加鎖，這時(shí)將偏向鎖升級(jí)為
00輕量級(jí)鎖 - 輕量級(jí)鎖解鎖后，user 對(duì)象無(wú)線程競(jìng)爭(zhēng)，恢復(fù)為
001無(wú)鎖態(tài)，并且處于不可偏向狀態(tài)。如果之后有線程再?lài)L試獲取 user 對(duì)象的鎖，會(huì)直接加輕量級(jí)鎖，而不是偏向鎖
4、當(dāng)兩個(gè)或以上線程并發(fā)的在同一個(gè)對(duì)象上進(jìn)行同步時(shí)，為了避免無(wú)用自旋消耗 cpu，輕量級(jí)鎖會(huì)升級(jí)成重量級(jí)鎖。這時(shí)mark word中的指針指向的是monitor對(duì)象（也被稱(chēng)為管程或監(jiān)視器鎖）的起始地址。測(cè)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(jié)果：
可以看到，在兩個(gè)線程同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)user對(duì)象的鎖時(shí)，會(huì)升級(jí)為10重量級(jí)鎖。
3.1.2 其他信息
對(duì)mark word 中其他重要信息進(jìn)行說(shuō)明：
hashcode：無(wú)鎖態(tài)下的hashcode采用了延遲加載技術(shù)，在第一次調(diào)用hashCode()方法時(shí)才會(huì)計(jì)算寫(xiě)入。對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證：
public static void main(String[] args) {
User user=new User();
//打印內(nèi)存布局
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
//計(jì)算hashCode
System.out.println(user.hashCode());
//再次打印內(nèi)存布局
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}
可以看到，在沒(méi)有調(diào)用hashCode()方法前，31位的哈希值不存在，全部填充為0。在調(diào)用方法后，根據(jù)大小端，被填充的數(shù)據(jù)為：
1011001001101100011010010101101
將2進(jìn)制轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制，對(duì)應(yīng)哈希值1496724653。需要注意，只有在調(diào)用沒(méi)有被重寫(xiě)的Object.hashCode()方法或System.identityHashCode(Object)方法才會(huì)寫(xiě)入mark word，執(zhí)行用戶(hù)自定義的hashCode()方法不會(huì)被寫(xiě)入。
大家可能會(huì)注意到，當(dāng)對(duì)象被加鎖后，mark word中就沒(méi)有足夠空間來(lái)保存hashCode了，這時(shí)hashcode會(huì)被移動(dòng)到重量級(jí)鎖的Object Monitor中。
epoch：偏向鎖的時(shí)間戳- 分代年齡（
age）：在jvm的垃圾回收過(guò)程中，每當(dāng)對(duì)象經(jīng)過(guò)一次Young GC，年齡都會(huì)加1，這里4位來(lái)表示分代年齡最大值為15，這也就是為什么對(duì)象的年齡超過(guò)15后會(huì)被移到老年代的原因。在啟動(dòng)時(shí)可以通過(guò)添加參數(shù)來(lái)改變年齡閾值：
-XX:MaxTenuringThreshold當(dāng)設(shè)置的閾值超過(guò)15時(shí)，啟動(dòng)時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)：
3.2 Klass Pointer 類(lèi)型指針
Klass Pointer是一個(gè)指向方法區(qū)中Class信息的指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針確定該對(duì)象屬于哪個(gè)類(lèi)的實(shí)例。在64位的JVM中，支持指針壓縮功能，根據(jù)是否開(kāi)啟指針壓縮，Klass Pointer占用的大小將會(huì)不同：
- 未開(kāi)啟指針壓縮時(shí)，類(lèi)型指針占用8B (64bit)
- 開(kāi)啟指針壓縮情況下，類(lèi)型指針占用4B (32bit)
在jdk6之后的版本中，指針壓縮是被默認(rèn)開(kāi)啟的，可通過(guò)啟動(dòng)參數(shù)開(kāi)啟或關(guān)閉該功能：
#開(kāi)啟指針壓縮：
-XX:+UseCompressedOops
#關(guān)閉指針壓縮：
-XX:-UseCompressedOops
還是以剛才的User類(lèi)為例，關(guān)閉指針壓縮后再次查看對(duì)象的內(nèi)存布局：
對(duì)象大小雖然還是16字節(jié)，但是組成發(fā)生了改變，8字節(jié)標(biāo)記字加8字節(jié)類(lèi)型指針，已經(jīng)能滿(mǎn)足對(duì)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
在了解了指針壓縮的作用后，我們來(lái)看一下指針壓縮是如何實(shí)現(xiàn)的。首先在不開(kāi)啟指針壓縮的情況下，一個(gè)對(duì)象的內(nèi)存地址使用64位表示，這時(shí)能描述的內(nèi)存地址范圍是：
0 ~ 2^64-1
在開(kāi)啟指針壓縮后，使用4個(gè)字節(jié)也就是32位，可以表示2^32 個(gè)內(nèi)存地址，如果這個(gè)地址是真實(shí)地址的話，由于CPU尋址的最小單位是Byte，那么就是4GB內(nèi)存。這對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，但是之前我們說(shuō)過(guò)，java中對(duì)象默認(rèn)使用了8字節(jié)對(duì)齊，也就是說(shuō)1個(gè)對(duì)象占用的空間必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，這樣就創(chuàng)造了一個(gè)條件，使jvm在定位一個(gè)對(duì)象時(shí)不需要使用真正的內(nèi)存地址，而是定位到由java進(jìn)行了8字節(jié)映射后的地址（可以說(shuō)是一個(gè)映射地址的編號(hào)）。
映射過(guò)程也非常簡(jiǎn)單，由于使用了8字節(jié)對(duì)齊后每個(gè)對(duì)象的地址偏移量后3位必定為0，所以在存儲(chǔ)的時(shí)候可以將后3位0抹除（轉(zhuǎn)化為bit是抹除了最后24位），在此基礎(chǔ)上再去掉最高位，就完成了指針從8字節(jié)到4字節(jié)的壓縮。而在實(shí)際使用時(shí)，在壓縮后的指針后加3位0，就能夠?qū)崿F(xiàn)向真實(shí)地址的映射。
完成壓縮后，現(xiàn)在指針的32位中的每一個(gè)bit，都可以代表8個(gè)字節(jié)，這樣就相當(dāng)于使原有的內(nèi)存地址得到了8倍的擴(kuò)容。所以在8字節(jié)對(duì)齊的情況下，32位最大能表示2^32*8=32GB內(nèi)存，內(nèi)存地址范圍是：
0 ~ (2^32-1)*8由于能夠表示的最大內(nèi)存是32GB，所以如果配置的最大的堆內(nèi)存超過(guò)這個(gè)數(shù)值時(shí)，那么指針壓縮將會(huì)失效。配置jvm啟動(dòng)參數(shù)：
-Xmx32g查看對(duì)象內(nèi)存布局：
此時(shí)，指針壓縮失效，指針長(zhǎng)度恢復(fù)到8字節(jié)。那么如果業(yè)務(wù)場(chǎng)景內(nèi)存超過(guò)32GB怎么辦呢，可以通過(guò)修改默認(rèn)對(duì)齊長(zhǎng)度進(jìn)行再次擴(kuò)展，我們將對(duì)齊長(zhǎng)度修改為16字節(jié)：
-XX:ObjectAlignmentInBytes=16 -Xmx32g
可以看到指針壓縮后占4字節(jié)，同時(shí)對(duì)象向16字節(jié)進(jìn)行了填充對(duì)齊，按照上面的計(jì)算，這時(shí)配置最大堆內(nèi)存為64GB時(shí)指針壓縮才會(huì)失效。
對(duì)指針壓縮做一下簡(jiǎn)單總結(jié)：
- 通過(guò)指針壓縮，利用對(duì)齊填充的特性，通過(guò)映射方式達(dá)到了內(nèi)存地址擴(kuò)展的效果
- 指針壓縮能夠節(jié)省內(nèi)存空間，同時(shí)提高了程序的尋址效率
- 堆內(nèi)存設(shè)置時(shí)最好不要超過(guò)32GB，這時(shí)指針壓縮將會(huì)失效，造成空間的浪費(fèi)
- 此外，指針壓縮不僅可以作用于對(duì)象頭的類(lèi)型指針，還可以作用于引用類(lèi)型的字段指針，以及引用類(lèi)型數(shù)組指針
3.3 數(shù)組長(zhǎng)度
如果當(dāng)對(duì)象是一個(gè)數(shù)組對(duì)象時(shí)，那么在對(duì)象頭中有一個(gè)保存數(shù)組長(zhǎng)度的空間，占用4字節(jié)（32bit）空間。通過(guò)下面代碼進(jìn)行測(cè)試：
public static void main(String[] args) {
User[] user=new User[2];
//查看對(duì)象的內(nèi)存布局
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}運(yùn)行代碼，結(jié)果如下：
內(nèi)存結(jié)構(gòu)從上到下分別為：
- 8字節(jié)
mark word - 4字節(jié)
klass pointer - 4字節(jié)數(shù)組長(zhǎng)度，值為2，表示數(shù)組中有兩個(gè)元素
- 開(kāi)啟指針壓縮后每個(gè)引用類(lèi)型占4字節(jié)，數(shù)組中兩個(gè)元素共占8字節(jié)
需要注意的是，在未開(kāi)啟指針壓縮的情況下，在數(shù)組長(zhǎng)度后會(huì)有一段對(duì)齊填充字節(jié)：
通過(guò)計(jì)算：
8B (mark word) + 8B (klass pointer) + 4B (array length) + 16B (instance data)=36B需要向8字節(jié)進(jìn)行對(duì)齊，這里選擇將對(duì)齊的4字節(jié)添加在了數(shù)組長(zhǎng)度和實(shí)例數(shù)據(jù)之間。
4、實(shí)例數(shù)據(jù)
實(shí)例數(shù)據(jù)（Instance Data）保存的是對(duì)象真正存儲(chǔ)的有效信息，保存了代碼中定義的各種數(shù)據(jù)類(lèi)型的字段內(nèi)容，并且如果有繼承關(guān)系存在，子類(lèi)還會(huì)包含從父類(lèi)繼承過(guò)來(lái)的字段。
- 基本數(shù)據(jù)類(lèi)型：
| Type | Bytes |
|---|---|
| byte，boolean | 1 |
| char，short | 2 |
| int，float | 4 |
| long，double | 8 |
- 引用數(shù)據(jù)類(lèi)型：
開(kāi)啟指針壓縮情況下占8字節(jié)，開(kāi)啟指針壓縮后占4字節(jié)。
4.1 字段重排序
給User類(lèi)添加基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的屬性字段：
public class User {
int id,age,weight;
byte sex;
long phone;
char local;
}查看內(nèi)存布局：
可以看到，在內(nèi)存中，屬性的排列順序與在類(lèi)中定義的順序不同，這是因?yàn)閖vm會(huì)采用字段重排序技術(shù)，對(duì)原始類(lèi)型進(jìn)行重新排序，以達(dá)到內(nèi)存對(duì)齊的目的。具體規(guī)則遵循如下：
- 按照數(shù)據(jù)類(lèi)型的長(zhǎng)度大小，從大到小排列
- 具有相同長(zhǎng)度的字段，會(huì)被分配在相鄰位置
- 如果一個(gè)字段的長(zhǎng)度是L個(gè)字節(jié)，那么這個(gè)字段的偏移量（
OFFSET）需要對(duì)齊至nL（n為整數(shù)）
上面的前兩條規(guī)則相對(duì)容易理解，這里通過(guò)舉例對(duì)第3條進(jìn)行解釋?zhuān)?/p>
因?yàn)?code>long類(lèi)型占8字節(jié)，所以它的偏移量必定是8n，再加上前面對(duì)象頭占12字節(jié)，所以long類(lèi)型變量的最小偏移量是16。通過(guò)打印對(duì)象內(nèi)存布局可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對(duì)象頭不是8字節(jié)的整數(shù)倍時(shí)（只存在8n+4字節(jié)情況），會(huì)按從大到小的順序，使用4、2、1字節(jié)長(zhǎng)度的屬性進(jìn)行補(bǔ)位。為了和對(duì)齊填充進(jìn)行區(qū)分，可以稱(chēng)其為前置補(bǔ)位，如果在補(bǔ)位后仍然不滿(mǎn)足8字節(jié)整數(shù)倍，會(huì)進(jìn)行對(duì)齊填充。在存在前置補(bǔ)位的情況下，字段的排序會(huì)打破上面的第一條規(guī)則。
因此在上面的內(nèi)存布局中，先使用4字節(jié)的int進(jìn)行前置補(bǔ)位，再按第一條規(guī)則從大到小順序進(jìn)行排列。如果我們刪除3個(gè)int類(lèi)型的字段，再查看內(nèi)存布局：
char和byte類(lèi)型的變量被提到前面進(jìn)行前置補(bǔ)位，并在long類(lèi)型前進(jìn)行了1字節(jié)的對(duì)齊填充。
4.2 擁有父類(lèi)情況
- 當(dāng)一個(gè)類(lèi)擁有父類(lèi)時(shí)，整體遵循在父類(lèi)中定義的變量出現(xiàn)在子類(lèi)中定義的變量之前的原則
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(nèi)存結(jié)構(gòu)：
- 如果父類(lèi)需要后置補(bǔ)位的情況，可能會(huì)將子類(lèi)中類(lèi)型長(zhǎng)度較短的變量提前，但是整體還是遵循子類(lèi)在父類(lèi)之后的原則
public class A {
int i1,i2;
long l1;
}
public class B extends A {
int i1,i2;
long l1;
}查看內(nèi)存結(jié)構(gòu)：
可以看到，子類(lèi)中較短長(zhǎng)度的變量被提前到父類(lèi)后進(jìn)行了后置補(bǔ)位。
- 父類(lèi)的前置對(duì)齊填充會(huì)被子類(lèi)繼承
public class A {
long l;
}
public class B extends A{
long l2;
int i1;
}查看內(nèi)存結(jié)構(gòu)：
當(dāng)B類(lèi)沒(méi)有繼承A類(lèi)時(shí)，正好滿(mǎn)足8字節(jié)對(duì)齊，不需要進(jìn)行對(duì)齊填充。當(dāng)B類(lèi)繼承A類(lèi)后，會(huì)繼承A類(lèi)的前置補(bǔ)位填充，因此在B類(lèi)的末尾也需要對(duì)齊填充。
4.3 引用數(shù)據(jù)類(lèi)型
在上面的例子中，僅探討了基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的排序情況，那么如果存在引用數(shù)據(jù)類(lèi)型時(shí)，排序情況是怎樣的呢？在User類(lèi)中添加引用類(lèi)型：
public class User {
int id;
String firstName;
String lastName;
int age;
}查看內(nèi)存布局：
可以看到默認(rèn)情況下，基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量排在引用數(shù)據(jù)類(lèi)型前。這個(gè)順序可以在jvm啟動(dòng)參數(shù)中進(jìn)行修改：
-XX:FieldsAllocationStyle=0重新運(yùn)行，可以看到引用數(shù)據(jù)類(lèi)型的排列順序被放在了前面：
對(duì)FieldsAllocationStyle的不同取值簡(jiǎn)要說(shuō)明：
- 0：先放入普通對(duì)象的引用指針，再放入基本數(shù)據(jù)類(lèi)型變量
- 1：默認(rèn)情況，表示先放入基本數(shù)據(jù)類(lèi)型變量，再放入普通對(duì)象的引用指針
4.4 靜態(tài)變量
在上面的基礎(chǔ)上，在類(lèi)中加入靜態(tài)變量：
public class User {
int id;
static byte local;
}查看內(nèi)存布局：
通過(guò)結(jié)果可以看到，靜態(tài)變量并不在對(duì)象的內(nèi)存布局中，它的大小是不計(jì)算在對(duì)象中的，因?yàn)殪o態(tài)變量屬于類(lèi)而不是屬于某一個(gè)對(duì)象的。
5、對(duì)齊填充字節(jié)
在Hotspot的自動(dòng)內(nèi)存管理系統(tǒng)中，要求對(duì)象的起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，也就是說(shuō)對(duì)象的大小必須滿(mǎn)足8字節(jié)的整數(shù)倍。因此如果實(shí)例數(shù)據(jù)沒(méi)有對(duì)齊，那么需要進(jìn)行對(duì)齊補(bǔ)全空缺，補(bǔ)全的bit位僅起占位符作用，不具有特殊含義。
在前面的例子中，我們已經(jīng)對(duì)對(duì)齊填充有了充分的認(rèn)識(shí)，下面再做一些補(bǔ)充：
- 在開(kāi)啟指針壓縮的情況下，如果類(lèi)中有
long/double類(lèi)型的變量時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和實(shí)例數(shù)據(jù)間形成間隙（gap），為了節(jié)省空間，會(huì)默認(rèn)把較短長(zhǎng)度的變量放在前邊，這一功能可以通過(guò)jvm參數(shù)進(jìn)行開(kāi)啟或關(guān)閉：
# 開(kāi)啟
-XX:+CompactFields
# 關(guān)閉
-XX:-CompactFields測(cè)試關(guān)閉情況，可以看到較短長(zhǎng)度的變量沒(méi)有前移填充：
- 在前面指針壓縮中，我們提到了可以改變對(duì)齊寬度，這也是通過(guò)修改下面的jvm參數(shù)配置實(shí)現(xiàn)的：
-XX:ObjectAlignmentInBytes默認(rèn)情況下對(duì)齊寬度為8，這個(gè)值可以修改為2~256以?xún)?nèi)2的整數(shù)冪，一般情況下都以8字節(jié)對(duì)齊或16字節(jié)對(duì)齊。測(cè)試修改為16字節(jié)對(duì)齊：
上面的例子中，在調(diào)整為16字節(jié)對(duì)齊的情況下，最后一行的屬性字段只占了6字節(jié)，因此會(huì)添加10字節(jié)進(jìn)行對(duì)齊填充。當(dāng)然普通情況下不建議修改對(duì)齊長(zhǎng)度參數(shù)，如果對(duì)齊寬度過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存空間的浪費(fèi)。
6、總結(jié)
本文通過(guò)使用jol 對(duì)java對(duì)象的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試，學(xué)習(xí)了對(duì)象內(nèi)存布局的基本知識(shí)。通過(guò)學(xué)習(xí)，能夠幫助我們：
- 掌握對(duì)象內(nèi)存布局，基于此基礎(chǔ)進(jìn)行jvm參數(shù)調(diào)優(yōu)
- 了解對(duì)象頭在
synchronize的鎖升級(jí)過(guò)程中的作用 - 熟悉 jvm 中對(duì)象的尋址過(guò)程
- 通過(guò)計(jì)算對(duì)象大小，可以在評(píng)估業(yè)務(wù)量的基礎(chǔ)上在項(xiàng)目上線前預(yù)估需要使用多少內(nèi)存，防止服務(wù)器頻繁 gc
來(lái)源：公眾號(hào) 碼農(nóng)參上 作者：Dr Hydra
