解析Java对象在内存空间中的构成以及对象头的概念

2021-08-10 14:57:06 浏览数 (2)

今天来讲些抽象的东西 -- 对象头，因为我在学习的过程中发现很多地方都关联到了对象头的知识点，例如JDK中的 synchronized锁优化 和 JVM 中对象年龄升级等等。要深入理解这些知识的原理，了解对象头的概念很有必要，而且可以为后面分享 synchronized 原理和 JVM 知识的时候做准备。

对象内存构成

Java 中通过 new 关键字创建一个类的实例对象，对象存于内存的堆中并给其分配一个内存地址，那么是否想过如下这些问题：

  • 这个实例对象是以怎样的形态存在内存中的?
  • 一个Object对象在内存中占用多大?
  • 对象中的属性是如何在内存中分配的?

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。

对象头

我们可以在Hotspot官方文档中找到它的描述(下图)。从中可以发现，它是Java对象和虚拟机内部对象都有的共同格式，由两个字(计算机术语)组成。另外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中无法确定数组的大小。

它里面提到了对象头由两个字组成，这两个字是什么呢？我们还是在上面的那个Hotspot官方文档中往上看，可以发现还有另外两个名词的定义解释，分别是 mark word 和 klass pointer。

从中可以发现对象头中那两个字：第一个字就是 mark word，第二个就是 klass pointer。

Mark Word

用于存储对象自身的运行时数据，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、偏向时间戳等等。

Mark Word在32位JVM中的长度是32bit，在64位JVM中长度是64bit。我们打开openjdk的源码包，对应路径/openjdk/hotspot/src/share/vm/oops，Mark Word对应到C++的代码markOop.hpp，可以从注释中看到它们的组成，本文所有代码是基于Jdk1.8。

Mark Word在不同的锁状态下存储的内容不同，在32位JVM中是这么存的

在64位JVM中是这么存的

虽然它们在不同位数的JVM中长度不一样，但是基本组成内容是一致的。

  • 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操作在对象的标题字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。

Klass Pointer

即类型指针，是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。

实例数据

如果对象有属性字段，则这里会有数据信息。如果对象无属性字段，则这里就不会有数据。根据字段类型的不同占不同的字节，例如boolean类型占1个字节，int类型占4个字节等等；

对齐数据

对象可以有对齐数据也可以没有。默认情况下，Java虚拟机堆中对象的起始地址需要对齐至8的倍数。如果一个对象用不到8N个字节则需要对其填充，以此来补齐对象头和实例数据占用内存之后剩余的空间大小。如果对象头和实例数据已经占满了JVM所分配的内存空间，那么就不用再进行对齐填充了。

所有的对象分配的字节总SIZE需要是8的倍数，如果前面的对象头和实例数据占用的总SIZE不满足要求，则通过对齐数据来填满。

为什么要对齐数据？字段内存对齐的其中一个原因，是让字段只出现在同一CPU的缓存行中。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行，而该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。其实对其填充的最终目的是为了计算机高效寻址。

至此，我们已经了解了对象在堆内存中的整体结构布局，如下图所示

Talk is cheap, show me code

概念的东西是抽象的，你说它是这样组成的，就真的是吗？学习是需要持怀疑的态度的，任何理论和概念只有自己证实和实践之后才能接受它。还好 openjdk 给我们提供了一个工具包，可以用来获取对象的信息和虚拟机的信息，我们只需引入 jol-core 依赖，如下

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

jol-core 常用的三个方法

  • ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()：查看对象内部信息.
  • GraphLayout.parseInstance(object).toPrintable()：查看对象外部信息，包括引用的对象.
  • GraphLayout.parseInstance(object).totalSize()：查看对象总大小.

普通对象

为了简单化，我们不用复杂的对象，自己创建一个类 D，先看无属性字段的时候

public class D {
}

通过 jol-core 的 api，我们将对象的内部信息打印出来

public static void main(String[] args) {
    D d = new D();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
}

最后的打印结果为

可以看到有 OFFSET、SIZE、TYPE DESCRIPTION、VALUE 这几个名词头，它们的含义分别是

  • 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；

可以看到，d对象实例共占据16byte，对象头（object header）占据12byte（96bit），其中 mark word占8byte（64bit），klass pointe 占4byte，另外剩余4byte是填充对齐的。

这里由于默认开启了指针压缩，所以对象头占了12byte，具体的指针压缩的概念这里就不再阐述了，感兴趣的读者可以自己查阅下官方文档。jdk8版本是默认开启指针压缩的，可以通过配置vm参数开启关闭指针压缩，-XX:-UseCompressedOops。

如果关闭指针压缩重新打印对象的内存布局，可以发现总SIZE变大了，从下图中可以看到，对象头所占用的内存大小变为16byte（128bit），其中 mark word占8byte，klass pointe 占8byte，无对齐填充。

开启指针压缩可以减少对象的内存使用。从两次打印的D对象布局信息来看，关闭指针压缩时，对象头的SIZE增加了4byte，这里由于D对象是无属性的，读者可以试试增加几个属性字段来看下，这样会明显的发现SIZE增长。因此开启指针压缩，理论上来讲，大约能节省百分之五十的内存。jdk8及以后版本已经默认开启指针压缩，无需配置。

数组对象

上面使用的是普通对象，我们来看下数组对象的内存布局，比较下有什么异同

public static void main(String[] args) {
    int[] a = {1};
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}

打印的内存布局信息，如下

可以看到这时总SIZE为共24byte，对象头占16byte，其中Mark Work占8byte，Klass Point 占4byte，array length 占4byte，因为里面只有一个int 类型的1，所以数组对象的实例数据占据4byte，剩余对齐填充占据4byte。

结尾

经过以上的内容我们了解了对象在内存中的布局，了解对象的内存布局和对象头的概念，特别是对象头的Mark Word的内容，在我们后续分析 synchronize 锁优化 和 JVM 垃圾回收年龄代的时候会有很大作用。

JVM中大家是否还记得对象在Suvivor中每熬过一次MinorGC，年龄就增加1，当它的年龄增加到一定程度后就会被晋升到老年代中，这个次数默认是15岁，有想过为什么是15吗？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。

以上就是关于Java对象在内存中的构成和对象头概念的全部内容，想要了解更多关于Java底层知识的内容，请搜索W3Cschool其他相关文章。如果觉得本篇文章不错，还希望大家多多支持！


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