10 Java 对象的内存布局
Java 创建对象的方式
1:new 语句和反射机制创建。该方式会调用类的构造器,同时满足诸多约束。如果一个类没有构造器的话,Java 编译器会自动添加一个无参数的构造器。子类的构造器需要调用父类的构造器,如果父类存在无参数构造器的话,该调用可以是隐式的。如果父类没有无参数构造器,那么子类的构造器则需要显式的调用父类带参数的构造器。
显式调用又可以分为两种,一种是使用“super”关键字调用父类构造器,二是用“this”关键字调用同一个类中的其他构造器。无论是直接或者间接的显式调用,都需要作为构造器的第一条语句,以便优先初始化继承而来的父类字段。
2:Object.clone 方法和反序列化通过直接复制已有的数据,来初始化新建对象的实例字段。
在通过调用构造器创建对象的时候,子类的实例会为父类实例字段分配内存。下面总结一下,这些字段在内存中是怎么具体分布的。
压缩指针
在 Java 虚拟机中,每个 Java 对象都有一个对象头,是由标记字段和类型指针所构成。标记字段用来存储 Java 虚拟机有关该对象的运行数据,如哈希码,GC信息以及锁信息;而类型指针则指向该对象的类。
在 64 位的 Java 虚拟机中,对象头的标记字段占 64 位,而类型指针又占了 64 位,总共 16 字节。也就是说,每个 Java 对象在内存的中的额外开销就是 16 个字节。例如:Integer,仅有一个 int 类型的私有字段,占 4 个字节,但是 Integer 的额外开销确实 16 字节。这也是为什么 Java 要引入基本类型的原因之一。
为了减少内存使用量,64 位 Java 虚拟机引入了压缩指针的概念,讲原本 64 位的 Java 对象指针压缩成 32 位的。如此一来,对象头的类型指针也会被要说成 32 位,标记字段并未压缩,使得对象头大小变为 12 字节。
压缩指针的原理:
举例:马路上停了一堆房车,每个房车占据两个车位,总共有 32 个车位,车位排号依次从 0 到 31。我们约定,停在 0 号和 1 号车位上的车是 0 号车,停在 2 号和 3 号车位上的车是 1 号车,以此类推。
原始的内存寻址放的是车位号。比如一个指针的值为 6 ,代表 6 这个车位,找到车位就可以找到 3 号车。采用压缩指针的方式,指针中的值存储的是车号,比如 3 代表的就是 3 号车,然后根据停车规则可以知道在 6 号车位上可以找到 3 号车。
压缩指针就是 JVM 采用封装转化的方法优化了存储结构,自动帮我们实现 32 位的内存地址与 64 位的内存地址的映射。当然,上述情况下对内存数据的查找,需要满足一个前提:数据的存储的起始位置需要对齐字段所占存储空间的整数倍。例如:不开启指针压缩的时候,Java 虚拟机堆中对象的起始地址需要对其至 8 的倍数。如果一个对象用不到 8N 个字节,那么空白的那部分空间就浪费掉了。这些浪费掉的空间我们称之为对象间的填充。
内存字段对其的另一个原因,是让字段只出现在同意 CPU 的缓存中。如果字段不是对齐的,那么就有可能出现跨缓存行的字段。也就是说该字段的读取可能需要替换两个缓存航,而字段的存储也会同时污染两个缓存行。这两种情况对程序的执行效率而言都是不利的。
字段重排列
字段重排列就是 Java 虚拟机重新分配字段的先后顺序,以达到内存对其的目的。Java 虚拟机中有三种排列方法,全都遵循以下两个原则:
1:如果一个字段占据 C 个字节,那么该字段的偏移量需要对其至 NC。这里的偏移量指的是字段地址与对象的起始地址差值。
举例:Long 类,仅有一个 long 类型的实例字段。在 64 为虚拟机中使用压缩指针后,对象头的大小为 12 个字节,该 long 类型字段的偏移量只能是 NC = 2*8 = 16,而中间空着的 4 个字节便会被浪费掉。
2:子类所继承字段的偏移量,需要与父类对应字段的偏移量保持一致。
总结
本文创作灵感来源于 极客时间 郑雨迪老师的《深入拆解 Java 虚拟机》课程,通过课后反思以及借鉴各位学友的发言总结,现整理出自己的知识架构,以便日后温故知新,查漏补缺。
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