JVM 系列（4）一看就懂的对象内存布局

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前言

Java 中一切皆对象，同时对象也是 Java 编程中接触最多的概念，深入理解 Java 对象能够更帮助我们深入地掌握 Java 技术栈。在这篇文章里，我们将从内存的视角，带你深入理解 Java 对象在虚拟机中的表现形式。

学习路线图：

1. 对象在哪里分配？

在 Java 虚拟机中，Java 堆和方法区是分配对象的主要区域，但是也存在一些特殊情况，例如 TLAB、栈上分配、标量替换等。 这些特殊情况的存在是虚拟机为了进一步优化对象分配和回收的效率而采用的特殊策略，可以作为知识储备。

  • 1、Java 堆（Heap）： Java 堆是绝大多数对象的分配区域，现代虚拟机会采用分代收集策略，因此 Java 堆又分为新生代、老生代和永生代。如果新生代使用复制算法，又可以分为 Eden 区、From Survivor 区和 To Survivor 区。除了这些每个线程都可以分配对象的区域，如果虚拟机开启了 TLAB 策略，那么虚拟机会在堆中为每个线程预先分配一小块内存，称为线程本地分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，TLAB）。在 TLAB 上分配对象不需要同步锁定，可以加快对象分配速度（TLAB 中的对象依然是线程共享读取的，只是不允许其他线程在该区域分配对象）；
  • 2、方法区（Method Area）： 方法区也是线程共享的区域，堆中存放的是生命周期较短的对象，而方法区中存放的是生命周期较长的对象，通常是一些支撑虚拟机执行的必要对象，将两种对象分开存储体现的是动静分离的思想，有利于内存管理。存储在方法区中的数据包括已加载的 Class 对象、静态字段（本质上是 Class 对象中的实例字段，下文会解释）、常量池（例如 String.intern()）和即时编译代码等；
  • 3、栈上分配（Stack Allocation）： 如果 Java 虚拟机通过逃逸分析后判断一个对象的生命周期不会逃逸到方法外，那么可以选择直接在栈上分配对象，而不是在堆上分配。栈上分配的对象会随着栈帧出栈而销毁，不需要经过垃圾收集，能够缓解垃圾收集器的压力。
  • 4、标量替换（Scalar Replacement）： 在栈上分配策略的基础上，虚拟机还可以选择将对象分解为多个局部变量再进行栈上分配，连对象都不创建。

2. 对象的访问定位

Java 类型分为基础数据类型（int 等）和引用类型（Reference），虽然两者都是数值，但却有本质的区别：基础数据类型本身就代表数据，而引用本身只是一个地址，并不代表对象数据。那么，虚拟机是如何通过引用定位到实际的对象数据呢？具体访问定位方式取决于虚拟机实现，目前有 2 种主流方式：

  • 1、直接指针访问： 引用内部持有一个指向对象数据的直接指针，通过该指针就可以直接访问到对象数据。采用这种方式的话，就需要在对象数据中额外使用一个指针来指向对象类型数据；
  • 2、句柄访问： 引用内部持有一个句柄，而句柄内部持有指向对象数据和类型数据的指针（句柄位于 Java 堆中句柄池）。使用这种方式的话，就不需要在对象数据中记录对象类型数据的指针。

使用句柄的优点是当对象在垃圾收集过程中移动存储区域时，虚拟机只需要改变句柄中的指针，而引用保持稳定。而使用直接指针的优点是只需要一次指针跳转就可以访问对象数据，访问速度相对更快。以 Sun HotSpot 虚拟机而言，采用的是直接指针方式，而 Android ART 虚拟机采用的是句柄方式。

handle.h

// Android ART 虚拟机源码体现：
// Handles are memory locations that contain GC roots. As the mirror::Object*s within a handle are
// GC visible then the GC may move the references within them, something that couldn't be done with
// a wrap pointer. Handles are generally allocated within HandleScopes. Handle is a super-class
// of MutableHandle and doesn't support assignment operations.
template<class T>
class Handle : public ValueObject {
	...
}

直接指针访问：

句柄访问：

关于 Java 引用类型的深入分析，见 引用类型

3. 使用 JOL 分析对象内存布局

这一节我们演示使用 JOL（Java Object Layout） 来分析 Java 对象的内存布局。JOL 是 OpenJDK 提供的对象内存布局分析工具，不过它只支持 HotSpot / OpenJDK 虚拟机，在其他虚拟机上使用会报错：

错误日志

java.lang.IllegalStateException: Only HotSpot/OpenJDK VMs are supported

3.1 使用步骤

现在，我们使用 JOL 分析 new Object() 在 HotSpot 虚拟机上的内存布局，模板程序如下：

示例程序

// 步骤一：添加依赖
implementation 'org.openjdk.jol:jol-core:0.11'
// 步骤二：创建对象
Object obj = new Object();
// 步骤三：打印对象内存布局
// 1. 输出虚拟机与对象内存布局相关的信息
System.out.println(VM.current().details());
// 2. 输出对象内存布局信息
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

输出日志

# Running 64-bit HotSpot VM.
# Using compressed oop with 3-bit shift.
# Using compressed klass with 3-bit shift.
# Objects are 8 bytes aligned.
# Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
# Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]

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

其中关于虚拟机的信息：

  • Running 64-bit HotSpot VM. 表示运行在 64 位的 HotSpot 虚拟机；
  • Using compressed oop with 3-bit shift. 指针压缩（后文解释）；
  • Using compressed klass with 3-bit shift. 指针压缩（后文解释）；
  • Objects are 8 bytes aligned. 表示对象按 8 字节对齐（后文解释）；
  • Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes] ：依次表示引用、boolean、byte、char、short、int、float、long、double 类型占用的长度；
  • Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes] ：依次表示数组元素长度。

我将 Java 对象的内存布局总结为以下基本模型：

3.2 对象内存布局的基本模型

在 Java 虚拟机中，对象的内存布局主要由 3 部分组成：

  • 1、对象头（Header）： 包括对象的运行时状态信息 Mark Work 和类型指针（直接指针访问方式），数据对象还会记录数组元素个数；
  • 2、实例数据（Instance Data）： 普通对象的实例数据包括当前类声明的实例字段以及父类声明的实例字段，而 Class 对象的实例数据包括当前类声明的静态字段和方法表等；
  • 3、对齐填充（Padding）： HotSpot 虚拟机对象的大小必须按 8 字节对齐，如果对象实际占用空间不足 8 字节的倍数，则会在对象末尾增加对齐填充。

关于方法表的作用，见 重载与重写。

4. 对象内存布局详解

这一节开始，我们详细解释对象内存布局的模型。

4.1 对象头（Header）**

  • Mark Work： Mark Work 是对象的运行时状态信息，包括哈希码、分代年龄、锁状态、偏向锁信息等。由于 Mark Work 是与对象实例数据无关的额外存储成本，因此虚拟机选择将其设计为带状态的数据结构，会根据对象当前的不同状态而定义不同的含义；

  • 类型指针（Class Pointer）： 指向对象类型数据的指针，只有虚拟机采用直接指针的对象访问定位方式才需要在对象上记录类型指针，而采用句柄的对象访问定位方式不需要此指针；
  • 数组长度： 数组类型的元素长度是不能提前确定的，但在创建对象后又是固定的，所以数组对象的对象头中会记录数组对象中实际元素的个数。

以下演示查看数组对象的对象头中的数组长度字段：

示例程序

char [] str = new char[2];
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(str).toPrintable());

输出日志

[C 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)    41 00 00 f8 (01000001 00000000 00000000 11111000) (-134217663)
     12     4        (object header)    【数组长度：2】02 00 00 00 (00000010 00000000 00000000 00000000) (2)
     16     4   char [C.<elements>     N/A
     20     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

可以看到，对象头中有一块 4 字节的区域，显示该数组长度为 2。

4.2 实例数据（Instance Data）

普通对象和 Class 对象的实例数据区域是不同的，需要分开讨论：

  • 1、普通对象： 包括当前类声明的实例字段以及父类声明的实例字段，不包括类的静态字段；
  • 2、Class 对象： 包括当前类声明的静态字段和方法表等

其中，父类声明的实例字段会放在子类实例字段之前，而字段间的并不是按照源码中的声明顺序排列的，而是相同宽度的字段会分配在一起：引用类型 > long/double > int/float > short/char > byte/boolean。如果虚拟机开启 CompactFields 策略，那么子类较窄的字段有可能插入到父类变量的空隙中。

4.3 对齐填充（Padding）

HotSpot 虚拟机对象的大小必须按 8 字节对齐，如果对象实际占用空间不足 8 字节的倍数，则会在对象末尾增加对齐填充。 对齐填充不仅能够保证对象的起始位置是规整的，同时也是实现指针压缩的一个前提。

5. 什么是指针压缩？

我们都知道 CPU 有 32 位和 64 位的区别，这里的位数决定了 CPU 在内存中的寻址能力，32 位的指针可以表示 4G 的内存空间，而 64 位的指针可以表示一个非常大的天文数字。但是，目前市场上计算机的内存中不可能有这么大的空间，因此 64 位指针中很多高位比特其实是被浪费掉的。 为了提高内存利用效率，Java 虚拟机会采用指针压缩的方式，让 32 位指针不仅可以表示 4G 内存空间，还可以表示略大于 4G （不超过 32 G）的内存空间。这样就可以在使用较大堆内存的情况下继续使用 32 位的指针变量，从而减少程序内存占用。 但是，32 位指针怎么可能表示超过 4G 内存空间？我们把 64 位指针的高 32 位截断之后，剩下的 32 位指针也最多只能表示 4G 空间呀？

在解释这个问题之前，我先解释下为什么 32 位指针可以表示 4G 内存空间呢？ 细心的同学会发现，你用 $2^{32}$ 计算也只是得到 512M 而已，那么 4G 是怎么计算出来的呢？其实啊，操作系统中最小的内存分配单位是字节，而不是比特位，操作系统无法按位访问内存，只能按字节访问内存。因此，32 位指针其实是表示 $2^{32}bytes$ ，而不是 $2^{32}bits$，算起来就是 4G 内存空间。

理解了 4G 的计算问题后，再解释 32 位指针如何表示 32G 内存空间就很简单了。 这就拐回到上一节提到的对象 8 字节对齐了。操作系统将 8 个比特位组合成 1 个字节，等于说只需要标记每 8 个位的编号，而 Java 虚拟机在保证对象按 8 字节对齐后，也可以只需要标记每 8 个字节的编号，而不需要标记每个字节的编号。因此，32 位指针其实是表示 $2^{32}*8bytes$，算起来就是 32G 内存空间了。如下图所示：

提示： 在上文使用 JOL 分析对象内存布局时，输入日志 Using compressed oop with 3-bit shift. 就表示对象是按 8 字节对齐，指针按 3 位位移。

那对象对齐填充继续放大的话，32 位指针是不是可以表示更大的内存空间了？对。 同理，对齐填充放大到 16 位对齐，则可以表示 64G 空间，放大到 32 位对齐，则可以表示 128G 空间。但是，放大对齐填充等于放大了每个对象的平大小，对齐越大填充的空间会越快抵消指针压缩所减少的空间，得不偿失。因此，Java 虚拟机的选择是在内存空间超过 32G 时，放弃指针压缩策略，而不是一味增大对齐填充。

6. 总结

到这里，对象的内存布局就将完了。我们讲到了对象的分配区域、对象数据的访问定位方式以及对象内部的布局形式。下一篇，我们继续深入挖掘 Java 引用类型的实现原理。关注我，带你建立核心竞争力，我们下次见。

参考资料

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