Java对象头：深入理解对象存储的核心机制

Java对象结构实例化一个Java对象之后该对象在内存中的结构是怎么样的Java对象Object实例结构包括三部分对象头、对象体和对齐字节具体下图所示Java对象的三部分对象头对象头包括三个字段第一个字段叫作Mark Word标记字用于存储自身运行时的数据例如GC标志位、哈希码、锁状态等信息。第二个字段叫作Class Pointer类对象指针用于存放方法区Class对象的地址虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。第三个字段叫作Array Length数组长度。如果对象是一个Java数组那么此字段必须有用于记录数组长度的数据如果对象不是一个Java数组那么此字段不存在所以这是一个可选字段。对象体对象体包含对象的实例变量成员变量用于成员属性值包括父类的成员属性值。这部分内存按4字节对齐。对齐字节对齐字节也叫作填充对齐其作用是用来保证Java对象所占内存字节数为8的倍数。HotSpot VM的内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。对象头本身是8的倍数当对象的实例变量数据不是8的倍数时便需要填充数据来保证8字节的对齐。Mark Word的结构信息用于存储对象自身运行时数据如HashCode、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有锁、偏向线程ID、偏向时间戳等信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据所以Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会根据对象的状态复用自己的存储空间也就是说在运行期间Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word的位长度为JVM的一个Word大小也就是说32位JVM的Mark Word为32位64位JVM为64位。Mark Word的位长度不会受到Oop对象指针压缩选项的影响。Java内置锁的状态总共有4种级别由低到高依次为无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。其实在JDK 1.6之前Java内置锁还是一个重量级锁是一个效率比较低下的锁在JDK 1.6之后JVM为了提高锁的获取与释放效率对synchronized的实现进行了优化引入了偏向锁和轻量级锁从此以后Java内置锁的状态就有了4种无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁并且4种状态会随着竞争的情况逐渐升级而且是不可逆的过程即不可降级也就是说只能进行锁升级从低级别到高级别。以下是64位的Mark Word在不同的锁状态下的结构信息由于目前主流的JVM都是64位因此我们使用64位的Mark Word。接下来对64位的Mark Word中各部分的内容进行具体介绍。lock锁状态标记位占两个二进制位由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息因此设置了lock标记。该标记的值不同整个Mark Word表示的含义就不同。biased_lock对象是否启用偏向锁标记只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁为0时表示对象没有偏向锁。lock和biased_lock两个标记位组合在一起共同表示Object实例处于什么样的锁状态。二者组合的含义具体如下表所示age4位的Java对象分代年龄。在GC中对象在Survivor区复制一次年龄就增加1。当对象达到设定的阈值时就会晋升到老年代。默认情况下并行GC的年龄阈值为15并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位因此最大值为15这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。identity_hashcode31位的对象标识HashCode哈希码采用延迟加载技术当调用Object.hashCode()方法或者System.identityHashCode()方法计算对象的HashCode后其结果将被写到该对象头中。当对象被锁定时该值会移动到Monitor监视器中。thread54位的线程ID值为持有偏向锁的线程ID。epoch偏向时间戳。ptr_to_lock_record占62位在轻量级锁的状态下指向栈帧中锁记录的指针。使用JOL工具查看对象的布局JOL工具的使用JOL工具是一个jar包使用它提供的工具类可以轻松解析出运行时java对象在内存中的结构使用时首先需要引入maven GAV信息!--Java Object Layout --dependencygroupIdorg.openjdk.jol/groupIdartifactIdjol-core/artifactIdversion0.17/version/dependency截止至24年9月最新版本是0.17版本据观察它和0.15之前不包含0.15的版本输出信息差异比较大而普遍现在使用的版本都比较低但是不妨碍在这里使用该工具做实验。jol-core 常用的几个方法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.VM.current().details()输出当前虚拟机信息首先创建一个简单的类HellopublicclassHello{privateIntegera1;}接下来写一个启动类测试下importorg.openjdk.jol.info.ClassLayout;importorg.openjdk.jol.vm.VM;publicclassJalTest{publicstaticvoidmain(String[]args){System.out.println(VM.current().details());HellohellonewHello();System.out.printf(ClassLayout.parseInstance(hello).toPrintable());}}输出结果结果分析在代码中首先使用了VM.current().details()方法获取到了当前java虚拟机的相关信息VM mode: 64 bits - 表示当前虚拟机是64位虚拟机Compressed references (oops): 3-bit shift - 开启了对象指针压缩在64位的Java虚拟机上对象指针通常需要占用8字节64位但通过使用压缩指针技术可以减少对象指针的占用空间提高内存利用率。“3-bit shift” 意味着使用3位的位移操作来对对象指针进行压缩。通过将对象指针右移3位可以消除指针中的一些无用位从而减少对象指针的实际大小使其占用更少的内存。Compressed class pointers: 3-bit shift - 开启了类指针压缩其余同上。Object alignment: 8 bytes - 字节对齐使用8字节这部分输出表示 引用类型、boolean、byte、char、short、int、float、long、doubl e类型的数据所占的字节数大小以及在数组中的大小和偏移量。需要注意的是数组偏移量的概念数组偏移量的数值其实就是对象头的大小在上图中的16字节表示如果当前对象是数组那对象头就是16字节不要忘了对象头中还有数组长度在未开启对象指针压缩的情况下它要占据4字节大小。接下来是对象结构的输出分析。对象结构输出解析先回顾下对象结构再来回顾下对象结构输出结果OFF偏移量单位字节SZ大小单位字节TYPE DESCRIPTION类型描述这里显示的比较直观甚至可以看到是对象头的哪一部分VALUE值使用十六进制字符串表示注意一个字节是8bit占据两个16进制字符串JOL0.15版本之前是小端序展示0.15包含0.15版本之后使用大端序展示。Mark Word解析因为当前虚拟机是64位的虚拟机所以Mark Word在对象头中占据8字节也就是64位。它不受指针压缩的影响占据内存大小只和当前虚拟机有关系。当前的值是十六进制数值0x0000000000000001为了好看点将它按照字节分割开00 00 00 00 00 00 00 01然后来回顾下mark workd的内存结构最后一个字节是十六进制的01转化为二进制数就是00000001那倒数三个bit就是001偏向锁标志位biased是0lock标志位是01对应的是无锁状态下的mark word数据结构。Class Pointer 解析该字段在64位虚拟机下开启指针压缩占据4字节未开启指针压缩占据8字节它指向方法区的内存地址即Class对象所在的位置。对象体解析Hello类只有一个Integer类型的变量a它在64位虚拟机下开启指针压缩占据4字节未开启指针压缩占据8字节大小。需要注意的是这里的8字节存储的是Integer对象指针大小而非int类型的数值所占内存大小。不同条件下的对象结构变化Mark Word中的hashCode在无锁状态下对象头中的mark word字段有31bit是用于存放hashCode的值的但是在之前的打印输出中hashCode全是0这是为什么想要hashCode的值能够在mark word中展示需要满足两个条件目标类不能重写hashCode方法目标对象需要调用hashCode方法生成hashCode上面的实验中Hello类很简单publicclassHello{privateIntegera1;}没有重写hashCode方法使用JOL工具分析没有看到hashCode值是因为没有调用hashCode()方法生成hashCode值接下来改下启动类调用下hashCode方法重新输出解析结果publicclassJalTest{publicstaticvoidmain(String[]args){System.out.println(VM.current().details());HellohellonewHello();hello.hashCode();System.out.printf(ClassLayout.parseInstance(hello).toPrintable());}}输出结果可以看到Mark Word中已经有了hashCode的值。字节对齐从JOL输出上来看使用的是8字节对齐而对象正好是16字节是8的整数倍所以并没有使用字节对齐为了能看到字节对齐的效果再给Hello类新增一个成员变量Integer b 2已知一个整型变量在这里占用4字节大小空间对象大小会变成20字节那就不是8的整数倍会有4字节的对齐字节填充改下Hello类publicclassHello{privateIntegera1;privateIntegerb2;}然后查看运行结果果然为了对齐8字节多了4字节的填充整个对象实例大小变成了24字节。数组类型的对象结构数组类型的对象和普通的对象肯定不一样甚至在对象头中专门有个“数组长度”来记录数组的长度。改变下启动类看看Integer数组的对象结构publicclassJalTest{publicstaticvoidmain(String[]args){System.out.println(VM.current().details());Integer[]anewInteger[]{1,2,3};a.hashCode();System.out.printf(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());}}输出结果标红部分相对于普通的对象数组对象多了个数组长度的字段而且接下来3个整数共占据了12字节大小的内存空间。再仔细看看加上数组长度部分对象头部分一共占据了16字节大小的空间这个和上面的Array base offsets的大小一致这是因为要想访问到真正的对象值从对象开始要经过16字节的对象头才能读取到对象这16字节也就是每个元素读取的“偏移量”了。指针压缩开启指针压缩-XX:UseCompressedOops关闭指针压缩-XX:-UseCompressedOops在Intelij中在VM Options中添加该参数即可需要注意的是指针压缩在java8及以后的版本中是默认开启的。接下来看看指针压缩在开启和没开启的情况下相同的解析代码打印出来的结果代码Slf4jpublicclassJalTest{publicstaticvoidmain(String[]args){System.out.println(VM.current().details());Integer[]anewInteger[]{1,2,3};a.hashCode();System.out.printf(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());}}开启指针压缩的解析结果未开启指针压缩的结果以开启指针压缩后的结果为基础观察下未开启指针压缩的结果需要注意的是这里的Integer[]数组里面都是Integer对象而非int类型的数值它是Integer基本类型包装类的实例这里的数组内存地址中存储的是每个Integer对象的指针引用从输出的VM信息的对照表中“ref”类型占据8字节所以才是3*8为24字节大小。可以看到开启指针压缩以后会产生两个影响对象引用类型会从8字节变成4字节对象头中的Class Pointer类型会从8字节变成4字节确实能节省空间。扩展阅读大端序和小端序大端序Big Endian和小端序Little Endian是两种不同的存储数据的方式特别是在多字节数据类型比如整数在计算机内存中的存储顺序方面有所体现。大端序Big Endian在大端序中数据的高位字节存储在低地址而低位字节存储在高地址。类比于数字的书写方式高位数字在左边低位数字在右边。因此数据的最高有效字节Most Significant ByteMSB存储在最低的地址处。小端序Little Endian相反地在小端序中数据的低位字节存储在低地址而高位字节存储在高地址。这种方式与我们阅读数字的顺序一致即从低位到高位。因此数据的最低有效字节Least Significant ByteLSB存储在最低的地址处。这两种存储方式可以用一个简单的例子来说明假设要存储一个 4 字节的整数0x12345678在大端序中存储顺序为12 34 56 78。在小端序中存储顺序为78 56 34 12。