Java对象内存模型

2 Java对象内存模型

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、 实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

在 JVM 中，Java对象保存在堆中时，由以下三部分组成：

• 对象头（object header）：包括了关于堆对象的布局、类型、GC状态、同步状态和标识哈希码的基本信息。Java对象和vm内部对象都有一个共同的对象头格式。
• 实例数据（Instance Data）：主要是存放类的数据信息，父类的信息，对象字段属性信息。
• 对齐填充（Padding）：为了字节对齐，填充的数据，不是必须的。凑齐8字节的倍数。

2.1 对象头

对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据（MarkWord）， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时 间戳等。对象头的另外一部分是类型指针（Klass Pointer），即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

// oopDesc hotspot对象头
volatile markOop  _mark;
union _metadata {
    wideKlassOop    _klass;
    narrowOop       _compressed_klass;
} _metadata;

Mark Word在32位JVM中的长度是32bit，在64位JVM中长度是64bit。

markword组成内容基本一致。

• 锁标志位（lock）：区分锁状态，11时表示对象待GC回收状态, 只有最后2位锁标识(11)有效。
• biased_lock：是否偏向锁，由于无锁和偏向锁的锁标识都是 01，没办法区分，这里引入一位的偏向锁标识位。
• 分代年龄（age）：表示对象被GC的次数，当该次数到达阈值的时候，对象就会转移到老年代。
• 对象的hashcode（hash）：运行期间调用System.identityHashCode()来计算，延迟计算，并把结果赋值到这里。当对象加锁后，计算的结果31位不够表示，在偏向锁，轻量锁，重量锁，hashcode会被转移到Monitor中。
• 偏向锁的线程ID（JavaThread）：偏向模式的时候，当某个线程持有对象的时候，对象这里就会被置为该线程的ID。 在后面的操作中，就无需再进行尝试获取锁的动作。
• epoch：偏向锁在CAS锁操作过程中，偏向性标识，表示对象更偏向哪个锁。
• ptr_to_lock_record：轻量级锁状态下，指向栈中锁记录的指针。当锁获取是无竞争的时，JVM使用原子操作而不是OS互斥。这种技术称为轻量级锁定。在轻量级锁定的情况下，JVM通过CAS操作在对象的markword中设置指向锁记录的指针。
• ptr_to_heavyweight_monitor：重量级锁状态下，指向对象监视器Monitor的指针。如果两个不同的线程同时在同一个对象上竞争，则必须将轻量级锁定升级到Monitor以管理等待的线程。在重量级锁定的情况下，JVM在对象的ptr_to_heavyweight_monitor设置指向Monitor的指针。

2.2 对象信息

使用openjdk的jol工具打印对象信息。引入依赖

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

1 无属性对象

// 打印无属性对象
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Object()).toPrintable());
// 对象信息
java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

对象信息分析

• OFFSET：偏移地址，单位字节；
• SIZE：占用的内存大小，单位为字节；
• TYPE DESCRIPTION：类型描述，其中object header为对象头；
• VALUE：对应内存中当前存储的值，二进制32位；

对于普通无属性对象，一共占用16字节，其中对象头markword占用8个字节，类型指针占用4个字节，剩余4个字节用于对齐填充，没有实例数据。

JDK8版本默认开启指针压缩（-XX:+UseCompressedOops），如果关闭指针压缩，类型指针占用8个字节，不再需要对齐填充。

2 数组对象

// 打印数组
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new int[]{}).toPrintable());
// 对象信息
[I object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
     12     4        (object header)   // 数组长度              00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     16     0    int [I.<elements>                             N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

对于数组对象，类型指针后有4个字节记录数组长度。因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象大小，如果数组长度不确定，则无法推断出数组对象大小。

3 有属性对象

// 打印有属性对象
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new User()).toPrintable());
class User {
    int id;			// 4B
    String name;	// 4B 未经类型压缩为8B
    byte b;			// 1B
    Object o;		// 4B 未经类型压缩为8B
}
// 对象信息
com.lzp.java.jvm.memory.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
// 对象头 12字节
     0     4                    (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
     4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     8     4                    (object header)                           65 cc 00 f8 (01100101 11001100 00000000 11111000) (-134165403)
// 实例数据
     12     4                int User.id                                   0
     16     1               byte User.b                                    0
     17     3                    (alignment/padding gap)   // 对齐
     20     4   java.lang.String User.name                                 null
     24     4   java.lang.Object User.o                                    null
// 对齐填充
     28     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

通过这一节的分析，我们可以比较轻松地估计出一个对象的大小，即对象头+实例数据+对象填充，得到一个8字节倍数的值。

2.3 其他

1 JVM每次GC，对象分代年龄加1，当年龄增加到15时晋升到老年代。为什么是15？

在Mark Word中可以发现标记对象分代年龄的分配的空间是4bit，而4bit能表示的最大数就是2^4-1 = 15。

2 为什么要进行指针压缩？

通过指针压缩，类型指针、对象引用等由8字节转为4个字节。降低对象占用的内存大小，顺便减轻GC压力；当指针移动时，减少带宽损耗。