深入理解 Java 對象的記憶體布局

• 2022 年 7 月 6 日
• 筆記

對於 Java 虛擬機，我們都知道其記憶體區域劃分成：堆、方法區、虛擬機棧等區域。但一個對象在 Java 虛擬機中是怎樣存儲的，相信很少人會比較清楚地了解。Java 對象在 JVM 中的記憶體布局，是我們了解並發編程同步機制的基礎。

在 HotSpot 虛擬機中，對象在記憶體中存儲的布局可以分為 3 塊區域：對象頭（Header）、實例數據（Instance Data）和對齊填充（Padding）。

對象頭

HotSpot 虛擬機的對象頭包括兩部分資訊，第一部分用於存儲自身運行時的數據，第二部分用於存儲類型指針。

自身運行時數據

對象頭第一部分用於存儲對象自身的運行時數據，如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、執行緒持有的鎖、偏向執行緒ID、偏向時間戳等。這部分數據的長度在 32 位和 64 位的虛擬機中分別為 32bit 和 64bit，官方稱它為「Mark Word」。

為了提高虛擬機的空間效率，Mark Word 被設計成非固定的數據結構，從而可以在不同狀態時存儲不同的數據，從而達到節省數據空間的目的。Mark Word 在不同狀態下存儲的內容如下表格所示。

如上表所示，在 32 位的 HotSpot 虛擬機中，如果對象處於未被鎖定（標誌位為 01）的狀態下，那麼 Mark Word 存儲的就是「對象哈希碼、對象分代年齡」。32bit 空間中的 25bit 用於存儲對象哈希碼，4bit 用於存儲對象分代年齡，2bit 用於存儲鎖標誌位，1bit 固定為 0。

類型指針

對象頭第二部分是類型指針，即對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。 另外，如果對象是一個 Java 數組，那在對象頭中還必須有一塊用於記錄數組長度的數據，因為虛擬機可以通過普通 Java 對象的元數據資訊確定 Java 對象的大小，但是從數組的元數據中卻無法確定數組的大小。

實例數據

實例數據部分是對象真正存儲的有效資訊，包括了程式里各個類型的欄位類型，無論是父類繼承下來的，還是子類中定義的。一般來說，父類定義的變數總會出現在子類之前。

對齊填充

對象填充部分並不是必然存在的，也沒有特別的含義，它僅僅起著佔位符的作用。由於 HotSpot VM 的自動記憶體管理系統要求對象起始地址必須是8位元組的整數倍，換句話說，就是對象的大小必須是 8 位元組的整數倍。而對象頭部分正好是 8 位元組的倍數（1倍或者2倍），因此，當對象實例數據部分沒有對齊時，就需要通過對齊填充來補全。

總結

本篇文章我們介紹了 Java 對象在 JVM 中的記憶體布局，整體可以分為：對象頭、實例數據、對齊填充三個部分。

第一部分的對象頭包括了對象運行時數據和類型指針。其中對象運行時數據包括：哈希碼、GC 分代年齡、鎖狀態標誌等，類型指針指向對象類型元數據，確定對象是哪個類的實例。第二部分是實例數據，是真正存儲的有效資訊，包括各個類型的欄位。第三部分是對齊填充，因為 JVM 要求對象起始地址必須是 8 位元組的整數倍，所以必須有對齊填充來佔位。