圖文詳解Java對象記憶體布局

作為一名Java程式設計師，我們在日常工作中使用這款面向對象的程式語言時，做的最頻繁的操作大概就是去創建一個個的對象了。對象的創建方式雖然有很多，可以通過new、反射、clone、反序列化等不同方式來創建，但最終使用時對象都要被放到記憶體中，那麼你知道在記憶體中的java對象是由哪些部分組成、又是怎麼存儲的嗎？

本文將基於程式碼進行實例測試，詳細探討對象在記憶體中的組成結構。全文目錄結構如下：

目錄

文中程式碼基於 JDK 1.8.0_261，64-Bit HotSpot 運行

1、對象記憶體結構概述

在介紹對象在記憶體中的組成結構前，我們先簡要回顧一個對象的創建過程：

1、jvm將對象所在的class文件載入到方法區中

2、jvm讀取main方法入口，將main方法入棧，執行創建對象程式碼

3、在main方法的棧記憶體中分配對象的引用，在堆中分配記憶體放入創建的對象，並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後，是被存放在堆記憶體中的，這裡的對象由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的相關資訊、指向該對象所屬類的元數據的指針，如果對象是數組對象那麼還會額外存儲對象的數組長度

  • 實例數據：實例數據存儲的是對象的真正有效數據，也就是各個屬性欄位的值，如果在擁有父類的情況下，還會包含父類的欄位。欄位的存儲順序會受到數據類型長度、以及虛擬機的分配策略的影響

  • 對齊填充位元組：在java對象中，需要對齊填充位元組的原因是，64位的jvm中對象的大小被要求向8位元組對齊，因此當對象的長度不足8位元組的整數倍時，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，這是因為填充位元組並不是固定存在的部分，這點在後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記憶體結構之前，先介紹一下我們要用到的工具，openjdk官網提供了查看對象記憶體布局的工具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>

在程式碼中使用jol提供的方法查看jvm資訊：

System.out.println(VM.current().details());

通過列印出來的資訊，可以看到我們使用的是64位 jvm，並開啟了指針壓縮，對象默認使用8位元組對齊方式。通過jol查看對象記憶體布局的方法，將在後面的例子中具體展示，下面開始對象記憶體布局的正式學習。

3、對象頭

首先看一下對象頭（Object header）的組成部分，根據普通對象和數組對象的不同，結構將會有所不同。只有當對象是數組對象才會有數組長度部分，普通對象沒有該部分，如下圖所示：

在對象頭中mark word 佔8位元組，默認開啟指針壓縮的情況下Klass pointer 佔4位元組，數組對象的數組長度佔4位元組。在了解了對象頭的基礎結構後，現在以一個不包含任何屬性的空對象為例，查看一下它的記憶體布局，創建User類：

public class User {
}

使用jol查看對象頭的記憶體布局：

public static void main(String[] args) {
    User user=new User();
    //查看對象的記憶體布局
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

執行程式碼，查看列印資訊：

  • OFFSET：偏移地址，單位為位元組
  • SIZE：佔用記憶體大小，單位為位元組
  • 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：對應記憶體中存儲的值

當前對象共佔用16位元組，因為8位元組標記字加4位元組的類型指針，不滿足向8位元組對齊，因此需要填充4個位元組：

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，在記憶體中的基本組成是怎樣的。在此基礎上，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，用於存儲對象自身的運行時數據，標記對象處於以下5種狀態中的某一種：

3.1.1 鎖升級

在jdk6 之前，通過synchronized關鍵字加鎖時使用無差別的的重量級鎖，重量級鎖會造成執行緒的串列執行，並且使CPU在用戶態和核心態之間頻繁切換。隨著對synchronized的不斷優化，提出了鎖升級的概念，並引入了偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。在mark word中，鎖（lock）標誌位佔用2個bit，結合1個bit偏向鎖（biased_lock）標誌位，這樣通過倒數的3位，就能用來標識當前對象持有的鎖的狀態，並判斷出其餘位存儲的是什麼資訊。

基於mark word的鎖升級的流程如下：

1、鎖對象剛創建時，沒有任何執行緒競爭，對象處於無鎖狀態。在上面列印的空對象的記憶體布局中，根據大小端，得到最後8位是00000001，表示處於無鎖態，並且處於不可偏向狀態。這是因為在jdk中偏向鎖存在延遲4秒啟動，也就是說在jvm啟動後4秒後創建的對象才會開啟偏向鎖，我們通過jvm參數取消這個延遲時間：

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

這時最後3位為101，表示當前對象的鎖沒有被持有，並且處於可被偏向狀態。

2、在沒有執行緒競爭的條件下，第一個獲取鎖的執行緒通過CAS將自己的threadId寫入到該對象的mark word中，若後續該執行緒再次獲取鎖，需要比較當前執行緒threadId和對象mark word中的threadId是否一致，如果一致那麼可以直接獲取，並且鎖對象始終保持對該執行緒的偏向，也就是說偏向鎖不會主動釋放。

使用程式碼進行測試同一個執行緒重複獲取鎖的過程：

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());
    }
}

執行結果：

可以看到一個執行緒對一個對象加鎖、解鎖、重新獲取對象的鎖時，mark word都沒有發生變化，偏向鎖中的當前執行緒指針始終指向同一個執行緒。

3、當兩個或以上執行緒交替獲取鎖，但並沒有在對象上並發的獲取鎖時，偏向鎖升級為輕量級鎖。在此階段，執行緒採取CAS的自旋方式嘗試獲取鎖，避免阻塞執行緒造成的cpu在用戶態和內核態間轉換的消耗。測試程式碼如下：

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());
}

先直接看一下結果：

整個加鎖狀態的變化流程如下：

  • 主執行緒首先對user對象加鎖，首次加鎖為101偏向鎖
  • 子執行緒等待主執行緒釋放鎖後，對user對象加鎖，這時將偏向鎖升級為00輕量級鎖
  • 輕量級鎖解鎖後，user對象無執行緒競爭，恢復為001無鎖態，並且處於不可偏向狀態。如果之後有執行緒再嘗試獲取user對象的鎖，會直接加輕量級鎖，而不是偏向鎖

4、當兩個或以上執行緒並發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（也被稱為管程或監視器鎖）的起始地址。測試程式碼如下：

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();
}

查看結果：

可以看到，在兩個執行緒同時競爭user對象的鎖時，會升級為10重量級鎖。

3.1.2 其他資訊

對mark word 中其他重要資訊進行說明：

  • hashcode：無鎖態下的hashcode採用了延遲載入技術，在第一次調用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();
    //列印記憶體布局
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    //計算hashCode
    System.out.println(user.hashCode());
    //再次列印記憶體布局
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

可以看到，在沒有調用hashCode()方法前，31位的哈希值不存在，全部填充為0。在調用方法後，根據大小端，被填充的數據為：

1011001001101100011010010101101

將2進位轉換為10進位，對應哈希值1496724653。需要注意，只有在調用沒有被重寫的Object.hashCode()方法或System.identityHashCode(Object)方法才會寫入mark word，執行用戶自定義的hashCode()方法不會被寫入。

大家可能會注意到，當對象被加鎖後，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，每當對象經過一次Young GC，年齡都會加1，這裡4位來表示分代年齡最大值為15，這也就是為什麼對象的年齡超過15後會被移到老年代的原因。在啟動時可以通過添加參數來改變年齡閾值：

-XX:MaxTenuringThreshold

當設置的閾值超過15時，啟動時會報錯：

3.2 Klass Pointer 類型指針

Klass Pointer是一個指向方法區中Class資訊的指針，虛擬機通過這個指針確定該對象屬於哪個類的實例。在64位的JVM中，支援指針壓縮功能，根據是否開啟指針壓縮，Klass Pointer佔用的大小將會不同：

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

在jdk6之後的版本中，指針壓縮是被默認開啟的，可通過啟動參數開啟或關閉該功能：

#開啟指針壓縮：
-XX:+UseCompressedOops
#關閉指針壓縮：
-XX:-UseCompressedOops

還是以剛才的User類為例，關閉指針壓縮後再次查看對象的記憶體布局：

對象大小雖然還是16位元組，但是組成發生了改變，8位元組標記字加8位元組類型指針，已經能滿足對齊條件，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後，我們來看一下指針壓縮是如何實現的。首先在不開啟指針壓縮的情況下，一個對象的記憶體地址使用64位表示，這時能描述的記憶體地址範圍是：

0 ~ 2^64-1

在開啟指針壓縮後，使用4個位元組也就是32位，可以表示2^32 個記憶體地址，如果這個地址是真實地址的話，由於CPU定址的最小單位是Byte，那麼就是4GB記憶體。這對於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位元組對齊，也就是說1個對象佔用的空間必須是8位元組的整數倍，這樣就創造了一個條件，使jvm在定位一個對象時不需要使用真正的記憶體地址，而是定位到由java進行了8位元組映射後的地址（可以說是一個映射地址的編號）。

完成壓縮後，現在指針的32位中的每一個bit，都可以代表8個位元組，這樣就相當於使原有的記憶體地址得到了8倍的擴容。所以在8位元組對齊的情況下，32位最大能表示2^32*8=32GB記憶體，記憶體地址範圍是：

0 ~ (2^32-1)*8

由於能夠表示的最大記憶體是32GB，所以如果配置的最大的堆記憶體超過這個數值時，那麼指針壓縮將會失效。配置jvm啟動參數：

-Xmx32g

查看對象記憶體布局：

此時，指針壓縮失效，指針長度恢復到8位元組。那麼如果業務場景記憶體超過32GB怎麼辦呢，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位元組：

-XX:ObjectAlignmentInBytes=16 -Xmx32g

可以看到指針壓縮後佔4位元組，同時對象向16位元組進行了填充對齊，按照上面的計算，這時配置最大堆記憶體為64GB時指針壓縮才會失效。

對指針壓縮做一下簡單總結：

  • 通過指針壓縮，利用對齊填充的特性，通過映射方式達到了記憶體地址擴展的效果
  • 指針壓縮能夠節省記憶體空間，同時提高了程式的定址效率
  • 堆記憶體設置時最好不要超過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於對象頭的類型指針，還可以作用於引用類型的欄位指針，以及引用類型數組指針

3.3 數組長度

如果當對象是一個數組對象時，那麼在對象頭中有一個保存數組長度的空間，佔用4位元組（32bit）空間。通過下面程式碼進行測試：

public static void main(String[] args) {
    User[] user=new User[2];
    //查看對象的記憶體布局
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

運行程式碼，結果如下：

記憶體結構從上到下分別為：

  • 8位元組mark word
  • 4位元組klass pointer
  • 4位元組數組長度，值為2，表示數組中有兩個元素
  • 開啟指針壓縮後每個引用類型佔4位元組，數組中兩個元素共佔8位元組

需要注意的是，在未開啟指針壓縮的情況下，在數組長度後會有一段對齊填充位元組：

通過計算：

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

需要向8位元組進行對齊，這裡選擇將對齊的4位元組添加在了數組長度和實例數據之間。

4、實例數據

實例數據（Instance Data）保存的是對象真正存儲的有效資訊，保存了程式碼中定義的各種數據類型的欄位內容，並且如果有繼承關係存在，子類還會包含從父類繼承過來的欄位。

  • 基本數據類型：
Type Bytes
byte，boolean 1
char，short 2
int，float 4
long，double 8
  • 引用數據類型：

開啟指針壓縮情況下佔8位元組，開啟指針壓縮後佔4位元組。

4.1 欄位重排序

給User類添加基本數據類型的屬性欄位：

public class User {
    int id,age,weight;
    byte sex;
    long phone;
    char local;
}

查看記憶體布局：

可以看到，在記憶體中，屬性的排列順序與在類中定義的順序不同，這是因為jvm會採用欄位重排序技術，對原始類型進行重新排序，以達到記憶體對齊的目的。具體規則遵循如下：

  • 按照數據類型的長度大小，從大到小排列
  • 具有相同長度的欄位，會被分配在相鄰位置
  • 如果一個欄位的長度是L個位元組，那麼這個欄位的偏移量（OFFSET）需要對齊至nL（n為整數）

上面的前兩條規則相對容易理解，這裡通過舉例對第3條進行解釋：

因為long類型佔8位元組，所以它的偏移量必定是8n，再加上前面對象頭佔12位元組，所以long類型變數的最小偏移量是16。通過列印對象記憶體布局可以發現，當對象頭不是8位元組的整數倍時（只存在8n+4位元組情況），會按從大到小的順序，使用4、2、1位元組長度的屬性進行補位。為了和對齊填充進行區分，可以稱其為前置補位，如果在補位後仍然不滿足8位元組整數倍，會進行對齊填充。在存在前置補位的情況下，欄位的排序會打破上面的第一條規則。

因此在上面的記憶體布局中，先使用4位元組的int進行前置補位，再按第一條規則從大到小順序進行排列。如果我們刪除3個int類型的欄位，再查看記憶體布局：

char和byte類型的變數被提到前面進行前置補位，並在long類型前進行了1位元組的對齊填充。

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數出現在子類中定義的變數之前的原則
public class A {
    int i1,i2;
    long l1,l2;
    char c1,c2;
}
public class B extends A{
    boolean b1;
    double d1,d2;
}

查看記憶體結構：

  • 如果父類需要後置補位的情況，可能會將子類中類型長度較短的變數提前，但是整體還是遵循子類在父類之後的原則
public class A {
    int i1,i2;
    long l1;
}
public class B extends A {
    int i1,i2;
    long l1;
}

查看記憶體結構：

可以看到，子類中較短長度的變數被提前到父類後進行了後置補位。

  • 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;
}

查看記憶體結構：

當B類沒有繼承A類時，正好滿足8位元組對齊，不需要進行對齊填充。當B類繼承A類後，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 引用數據類型

在上面的例子中，僅探討了基本數據類型的排序情況，那麼如果存在引用數據類型時，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;
}

查看記憶體布局：

可以看到默認情況下，基本數據類型的變數排在引用數據類型前。這個順序可以在jvm啟動參數中進行修改：

-XX:FieldsAllocationStyle=0

重新運行，可以看到引用數據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，再放入基本數據類型變數

  • 1：默認情況，表示先放入基本數據類型變數，再放入普通對象的引用指針

4.4 靜態變數

在上面的基礎上，在類中加入靜態變數：

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

查看記憶體布局：

通過結果可以看到，靜態變數並不在對象的記憶體布局中，它的大小是不計算在對象中的，因為靜態變數屬於類而不是屬於某一個對象的。

5、對齊填充位元組

在Hotspot的自動記憶體管理系統中，要求對象的起始地址必須是8位元組的整數倍，也就是說對象的大小必須滿足8位元組的整數倍。因此如果實例數據沒有對齊，那麼需要進行對齊補全空缺，補全的bit位僅起佔位符作用，不具有特殊含義。

在前面的例子中，我們已經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類型的變數時，會在對象頭和實例數據間形成間隙（gap），為了節省空間，會默認把較短長度的變數放在前邊，這一功能可以通過jvm參數進行開啟或關閉：
# 開啟
-XX:+CompactFields
# 關閉
-XX:-CompactFields

測試關閉情況，可以看到較短長度的變數沒有前移填充：

  • 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參數配置實現的：
-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2的整數冪，一般情況下都以8位元組對齊或16位元組對齊。測試修改為16位元組對齊：

上面的例子中，在調整為16位元組對齊的情況下，最後一行的屬性欄位只佔了6位元組，因此會添加10位元組進行對齊填充。當然普通情況下不建議修改對齊長度參數，如果對齊寬度過長，可能會導致記憶體空間的浪費。

6、總結

本文通過使用jol 對java對象進行測試，學習了對象記憶體布局的基本知識。通過學習，能夠幫助我們：

  • 掌握對象記憶體布局，基於此基礎進行jvm參數調優
  • 了解對象頭在synchronize 的鎖升級過程中的作用
  • 熟悉 jvm 中對象的定址過程
  • 通過計算對象大小，可以在評估業務量的基礎上在項目上線前預估需要使用多少記憶體，防止伺服器頻繁gc

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