圖文詳解Java對象內(nèi)存布局

作為一名 Java 程序員，我們在日常工作中使用這款面向?qū)ο蟮木幊陶Z言時，做的最頻繁的操作大概就是去創(chuàng)建一個個的對象了。對象的創(chuàng)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(chuàng)建，但最終使用時對象都要被放到內(nèi)存中，那么你知道在內(nèi)存中的 java 對象是由哪些部分組成、又是怎么存儲的嗎？

本文將基于代碼進行實例測試，詳細探討對象在內(nèi)存中的組成結(jié)構(gòu)。全文目錄結(jié)構(gòu)如下：

• 1、對象內(nèi)存結(jié)構(gòu)概述
• 2、JOL 工具簡介
• 3、對象頭
• 4、實例數(shù)據(jù)
• 5、對齊填充字節(jié)
• 6、總結(jié)

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

1、對象內(nèi)存結(jié)構(gòu)概述

在介紹對象在內(nèi)存中的組成結(jié)構(gòu)前，我們先簡要回顧一個對象的創(chuàng)建過程：

1、jvm 將對象所在的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)建對象代碼

3、在main方法的棧內(nèi)存中分配對象的引用，在堆中分配內(nèi)存放入創(chuàng)建的對象，并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后，是被存放在堆內(nèi)存中的，這里的對象由 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：

• 對象頭：對象頭存儲的是對象在運行時狀態(tài)的相關(guān)信息、指向該對象所屬類的元數(shù)據(jù)的指針，如果對象是數(shù)組對象那么還會額外存儲對象的數(shù)組長度
• 實例數(shù)據(jù)：實例數(shù)據(jù)存儲的是對象的真正有效數(shù)據(jù)，也就是各個屬性字段的值，如果在擁有父類的情況下，還會包含父類的字段。字段的存儲順序會受到數(shù)據(jù)類型長度、以及虛擬機的分配策略的影響
• 對齊填充字節(jié)：在 java 對象中，需要對齊填充字節(jié)的原因是，64 位的 jvm 中對象的大小被要求向8字節(jié)對齊，因此當對象的長度不足8字節(jié)的整數(shù)倍時，需要在對象中進行填充操作。注意圖中對齊填充部分使用了虛線，這是因為填充字節(jié)并不是固定存在的部分，這點在后面計算對象大小時具體進行說明

2、JOL 工具簡介

在具體開始研究對象的內(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)提供了查看對象內(nèi)存布局的工具jol (java object layout)，可在maven中引入坐標：

<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，并開啟了指針壓縮，對象默認使用 8 字節(jié)對齊方式。通過jol查看對象內(nèi)存布局的方法，將在后面的例子中具體展示，下面開始對象內(nèi)存布局的正式學習。

3、對象頭

首先看一下對象頭（Object header）的組成部分，根據(jù)普通對象和數(shù)組對象的不同，結(jié)構(gòu)將會有所不同。只有當對象是數(shù)組對象才會有數(shù)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 占8字節(jié)，默認開啟指針壓縮的情況下klass pointer 占4字節(jié)，數(shù)組對象的數(shù)組長度占4字節(jié)。在了解了對象頭的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)后，現(xiàn)在以一個不包含任何屬性的空對象為例，查看一下它的內(nèi)存布局，創(chuàng)建User類：

public class User {
}

使用jol查看對象頭的內(nèi)存布局：

public static void main(String[] args) {
    User user=new User();
    //查看對象的內(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中定義的類型
• DESCRIPTION：類型描述，Obejct header 表示對象頭，alignment表示對齊填充
• VALUE：對應(yīng)內(nèi)存中存儲的值

當前對象共占用16字節(jié)，因為8字節(jié)標記字加4字節(jié)的類型指針，不滿足向8字節(jié)對齊，因此需要填充4個字節(jié)：

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

這樣我們就通過直觀的方式，了解了一個不包含屬性的最簡單的空對象，在內(nèi)存中的基本組成是怎樣的。在此基礎(chǔ)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，用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，標記對象處于以下5種狀態(tài)中的某一種：

3.1.1 基于mark word的鎖升級

在jdk6 之前，通過synchronized關(guān)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(zhí)行，并且使cpu在用戶態(tài)和核心態(tài)之間頻繁切換。隨著對synchronized的不斷優(yōu)化，提出了鎖升級的概念，并引入了偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。在mark word中，鎖（lock）標志位占用2個bit，結(jié)合1個bit偏向鎖（biased_lock）標志位，這樣通過倒數(shù)的3位，就能用來標識當前對象持有的鎖的狀態(tài)，并判斷出其余位存儲的是什么信息。

基于mark word的鎖升級的流程如下：

1、鎖對象剛創(chuàng)建時，沒有任何線程競爭，對象處于無鎖狀態(tài)。在上面打印的空對象的內(nèi)存布局中，根據(jù)大小端，得到最后8位是00000001，表示處于無鎖態(tài)，并且處于不可偏向狀態(tài)。這是因為在jdk中偏向鎖存在延遲4秒啟動，也就是說在jvm啟動后4秒后創(chuàng)建的對象才會開啟偏向鎖，我們通過jvm參數(shù)取消這個延遲時間：

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

這時最后3位為101，表示當前對象的鎖沒有被持有，并且處于可被偏向狀態(tài)。

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，若后續(xù)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，如果一致那么可以直接獲取，并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復(fù)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(zhí)行結(jié)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(fā)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，但并沒有在對象上并發(fā)的獲取鎖時，偏向鎖升級為輕量級鎖。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在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)間轉(zhuǎn)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(jié)果：

整個加鎖狀態(tài)的變化流程如下：

• 主線程首先對 user 對象加鎖，首次加鎖為101偏向鎖
• 子線程等待主線程釋放鎖后，對user對象加鎖，這時將偏向鎖升級為00輕量級鎖
• 輕量級鎖解鎖后，user 對象無線程競爭，恢復(fù)為001無鎖態(tài)，并且處于不可偏向狀態(tài)。如果之后有線程再嘗試獲取 user 對象的鎖，會直接加輕量級鎖，而不是偏向鎖

4、當兩個或以上線程并發(fā)的在同一個對象上進行同步時，為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（也被稱為管程或監(jiān)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(jié)果：

可以看到，在兩個線程同時競爭user對象的鎖時，會升級為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：

• hashcode：無鎖態(tài)下的hashcode采用了延遲加載技術(shù)，在第一次調(diào)用hashCode()方法時才會計算寫入。對這一過程進行驗證：

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進制轉(zhuǎn)換為10進制，對應(yīng)哈希值1496724653。需要注意，只有在調(diào)用沒有被重寫的Object.hashCode()方法或System.identityHashCode(Object)方法才會寫入mark word，執(zhí)行用戶自定義的hashCode()方法不會被寫入。

大家可能會注意到，當對象被加鎖后，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。

• epoch：偏向鎖的時間戳
• 分代年齡（age）：在jvm的垃圾回收過程中，每當對象經(jīng)過一次Young GC，年齡都會加1，這里4位來表示分代年齡最大值為15，這也就是為什么對象的年齡超過15后會被移到老年代的原因。在啟動時可以通過添加參數(shù)來改變年齡閾值：

-XX:MaxTenuringThreshold

當設(shè)置的閾值超過15時，啟動時會報錯：

3.2 Klass Pointer 類型指針

Klass Pointer是一個指向方法區(qū)中Class信息的指針，虛擬機通過這個指針確定該對象屬于哪個類的實例。在64位的JVM中，支持指針壓縮功能，根據(jù)是否開啟指針壓縮，Klass Pointer占用的大小將會不同：

• 未開啟指針壓縮時，類型指針占用8B (64bit)
• 開啟指針壓縮情況下，類型指針占用4B (32bit)

在jdk6之后的版本中，指針壓縮是被默認開啟的，可通過啟動參數(shù)開啟或關(guān)閉該功能：

#開啟指針壓縮：
-XX:+UseCompressedOops
#關(guān)閉指針壓縮：
-XX:-UseCompressedOops

還是以剛才的User類為例，關(guān)閉指針壓縮后再次查看對象的內(nèi)存布局：

對象大小雖然還是16字節(jié)，但是組成發(fā)生了改變，8字節(jié)標記字加8字節(jié)類型指針，已經(jīng)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

在了解了指針壓縮的作用后，我們來看一下指針壓縮是如何實現(xiàn)的。首先在不開啟指針壓縮的情況下，一個對象的內(nèi)存地址使用64位表示，這時能描述的內(nèi)存地址范圍是：

0 ~ 2^64-1

在開啟指針壓縮后，使用4個字節(jié)也就是32位，可以表示2^32 個內(nèi)存地址，如果這個地址是真實地址的話，由于CPU尋址的最小單位是Byte，那么就是4GB內(nèi)存。這對于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(jié)對齊，也就是說1個對象占用的空間必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，這樣就創(chuàng)造了一個條件，使jvm在定位一個對象時不需要使用真正的內(nèi)存地址，而是定位到由java進行了8字節(jié)映射后的地址（可以說是一個映射地址的編號）。

映射過程也非常簡單，由于使用了8字節(jié)對齊后每個對象的地址偏移量后3位必定為0，所以在存儲的時候可以將后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。而在實際使用時，在壓縮后的指針后加3位0，就能夠?qū)崿F(xiàn)向真實地址的映射。

完成壓縮后，現(xiàn)在指針的32位中的每一個bit，都可以代表8個字節(jié)，這樣就相當于使原有的內(nèi)存地址得到了8倍的擴容。所以在8字節(jié)對齊的情況下，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)存超過這個數(shù)值時，那么指針壓縮將會失效。配置jvm啟動參數(shù)：

-Xmx32g

查看對象內(nèi)存布局：

此時，指針壓縮失效，指針長度恢復(fù)到8字節(jié)。那么如果業(yè)務(wù)場景內(nèi)存超過32GB怎么辦呢，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)，同時對象向16字節(jié)進行了填充對齊，按照上面的計算，這時配置最大堆內(nèi)存為64GB時指針壓縮才會失效。

對指針壓縮做一下簡單總結(jié)：

• 通過指針壓縮，利用對齊填充的特性，通過映射方式達到了內(nèi)存地址擴展的效果
• 指針壓縮能夠節(jié)省內(nèi)存空間，同時提高了程序的尋址效率
• 堆內(nèi)存設(shè)置時最好不要超過32GB，這時指針壓縮將會失效，造成空間的浪費
• 此外，指針壓縮不僅可以作用于對象頭的類型指針，還可以作用于引用類型的字段指針，以及引用類型數(shù)組指針

3.3 數(shù)組長度

如果當對象是一個數(shù)組對象時，那么在對象頭中有一個保存數(shù)組長度的空間，占用4字節(jié)（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(nèi)存布局
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

運行代碼，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)組長度，值為2，表示數(shù)組中有兩個元素
• 開啟指針壓縮后每個引用類型占4字節(jié)，數(shù)組中兩個元素共占8字節(jié)

需要注意的是，在未開啟指針壓縮的情況下，在數(shù)組長度后會有一段對齊填充字節(jié)：

通過計算：

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

需要向8字節(jié)進行對齊，這里選擇將對齊的4字節(jié)添加在了數(shù)組長度和實例數(shù)據(jù)之間。

4、實例數(shù)據(jù)

實例數(shù)據(jù)（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(shù)據(jù)類型的字段內(nèi)容，并且如果有繼承關(guān)系存在，子類還會包含從父類繼承過來的字段。

• 基本數(shù)據(jù)類型：

Type	Bytes
byte，boolean	1
char，short	2
int，float	4
long，double	8

• 引用數(shù)據(jù)類型：

開啟指針壓縮情況下占8字節(jié)，開啟指針壓縮后占4字節(jié)。

4.1 字段重排序

給User類添加基本數(shù)據(jù)類型的屬性字段：

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中定義的順序不同，這是因為jvm會采用字段重排序技術(shù)，對原始類型進行重新排序，以達到內(nèi)存對齊的目的。具體規(guī)則遵循如下：

• 按照數(shù)據(jù)類型的長度大小，從大到小排列
• 具有相同長度的字段，會被分配在相鄰位置
• 如果一個字段的長度是L個字節(jié)，那么這個字段的偏移量（OFFSET）需要對齊至nL（n為整數(shù)）

上面的前兩條規(guī)則相對容易理解，這里通過舉例對第3條進行解釋：

因為long類型占8字節(jié)，所以它的偏移量必定是8n，再加上前面對象頭占12字節(jié)，所以long類型變量的最小偏移量是16。通過打印對象內(nèi)存布局可以發(fā)現(xiàn)，當對象頭不是8字節(jié)的整數(shù)倍時（只存在8n+4字節(jié)情況），會按從大到小的順序，使用4、2、1字節(jié)長度的屬性進行補位。為了和對齊填充進行區(qū)分，可以稱其為前置補位，如果在補位后仍然不滿足8字節(jié)整數(shù)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(guī)則。

因此在上面的內(nèi)存布局中，先使用4字節(jié)的int進行前置補位，再按第一條規(guī)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(nèi)存布局：

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

4.2 擁有父類情況

• 當一個類擁有父類時，整體遵循在父類中定義的變量出現(xiàn)在子類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)：

• 如果父類需要后置補位的情況，可能會將子類中類型長度較短的變量提前，但是整體還是遵循子類在父類之后的原則

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，子類中較短長度的變量被提前到父類后進行了后置補位。

• 父類的前置對齊填充會被子類繼承

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

查看內(nèi)存結(jié)構(gòu)：

當B類沒有繼承A類時，正好滿足8字節(jié)對齊，不需要進行對齊填充。當B類繼承A類后，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(shù)據(jù)類型

在上面的例子中，僅探討了基本數(shù)據(jù)類型的排序情況，那么如果存在引用數(shù)據(jù)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(nèi)存布局：

可以看到默認情況下，基本數(shù)據(jù)類型的變量排在引用數(shù)據(jù)類型前。這個順序可以在jvm啟動參數(shù)中進行修改：

-XX:FieldsAllocationStyle=0

重新運行，可以看到引用數(shù)據(jù)類型的排列順序被放在了前面：

對FieldsAllocationStyle的不同取值簡要說明：

• 0：先放入普通對象的引用指針，再放入基本數(shù)據(jù)類型變量
• 1：默認情況，表示先放入基本數(shù)據(jù)類型變量，再放入普通對象的引用指針

4.4 靜態(tài)變量

在上面的基礎(chǔ)上，在類中加入靜態(tài)變量：

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

查看內(nèi)存布局：

通過結(jié)果可以看到，靜態(tài)變量并不在對象的內(nèi)存布局中，它的大小是不計算在對象中的，因為靜態(tài)變量屬于類而不是屬于某一個對象的。

5、對齊填充字節(jié)

在Hotspot的自動內(nèi)存管理系統(tǒng)中，要求對象的起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，也就是說對象的大小必須滿足8字節(jié)的整數(shù)倍。因此如果實例數(shù)據(jù)沒有對齊，那么需要進行對齊補全空缺，補全的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)對對齊填充有了充分的認識，下面再做一些補充：

• 在開啟指針壓縮的情況下，如果類中有long/double類型的變量時，會在對象頭和實例數(shù)據(jù)間形成間隙（gap），為了節(jié)省空間，會默認把較短長度的變量放在前邊，這一功能可以通過jvm參數(shù)進行開啟或關(guān)閉：

# 開啟
-XX:+CompactFields
# 關(guān)閉
-XX:-CompactFields

測試關(guān)閉情況，可以看到較短長度的變量沒有前移填充：

• 在前面指針壓縮中，我們提到了可以改變對齊寬度，這也是通過修改下面的jvm參數(shù)配置實現(xiàn)的：

-XX:ObjectAlignmentInBytes

默認情況下對齊寬度為8，這個值可以修改為2~256以內(nèi)2的整數(shù)冪，一般情況下都以8字節(jié)對齊或16字節(jié)對齊。測試修改為16字節(jié)對齊：

上面的例子中，在調(diào)整為16字節(jié)對齊的情況下，最后一行的屬性字段只占了6字節(jié)，因此會添加10字節(jié)進行對齊填充。當然普通情況下不建議修改對齊長度參數(shù)，如果對齊寬度過長，可能會導致內(nèi)存空間的浪費。

6、總結(jié)

本文通過使用jol 對java對象的結(jié)構(gòu)進行調(diào)試，學習了對象內(nèi)存布局的基本知識。通過學習，能夠幫助我們：

• 掌握對象內(nèi)存布局，基于此基礎(chǔ)進行jvm參數(shù)調(diào)優(yōu)
• 了解對象頭在synchronize 的鎖升級過程中的作用
• 熟悉 jvm 中對象的尋址過程
• 通過計算對象大小，可以在評估業(yè)務(wù)量的基礎(chǔ)上在項目上線前預(yù)估需要使用多少內(nèi)存，防止服務(wù)器頻繁 gc

來源：公眾號 碼農(nóng)參上 作者：Dr Hydra