Java對象在內(nèi)存中的布局沒有你想的那么神秘

寫在前面

Java是用C++寫的夜焦，所以java對象最終會映射到c++中的某個對象，用這個對象可以描述所有Java對象晴竞。而我們所熟知的synchronized鎖的優(yōu)化就是基于這個對象來實(shí)現(xiàn)的泌射。

對象在內(nèi)存中的布局

Java對象在被創(chuàng)建的時候,在內(nèi)存分配完成后煮甥，虛擬機(jī)需要對對象進(jìn)行必要設(shè)置，例如這個對象是哪個類的實(shí)例全跨、如何才能找到類的元數(shù)據(jù)信息缝左、對象的哈希碼、對象的GC分代年齡等信息。

這些信息存放在對象的對象頭(Object Header)中渺杉。根據(jù)虛擬機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的不同蛇数，如是否啟用偏向鎖等對象頭會有不同的設(shè)置方式。

在虛擬機(jī)中是越，對象在內(nèi)存中存儲的布局可以分為3塊區(qū)域：對象頭(Header)耳舅、實(shí)例數(shù)據(jù)(Instance Data)和對齊填充(Padding)

對象頭

HotSpot虛擬機(jī)對象頭包括兩部分信息，第一部分用于存儲對象自身的運(yùn)行時數(shù)據(jù)倚评，如哈希碼浦徊、GC分代年、鎖狀態(tài)標(biāo)志天梧、線程持有的鎖盔性、偏向線程ID、偏向時間戳呢岗。

這部分?jǐn)?shù)據(jù)的長度在32位和64位的虛擬機(jī)中分別是32bit和64bit,官方稱為"Mark Word"纯出。考慮到虛擬機(jī)的空間效率，Mark Word被設(shè)計(jì)成一個非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以便在極小的空間內(nèi)存儲盡量多的信息敷燎。

對象頭另一部分是類型指針暂筝，即指向?qū)ο蟮念愒獢?shù)據(jù)，虛擬機(jī)通過這個指針確定該對象是哪個類的實(shí)例硬贯。

我們可以在JVM源碼(hotspot/share/oops/markOop.hpp)中看到對象頭中存儲內(nèi)容的定義

class markOopDesc: public oopDesc {
 public:
  enum { age_bits             = 4,
         lock_bits            = 2,
         biased_lock_bits     = 1,
         max_hash_bits        = BitsPerWord - age_bits - lock_bits - biased_lock_bits,
         hash_bits            = max_hash_bits > 31 ? 31 : max_hash_bits,
         cms_bits             = LP64_ONLY(1) NOT_LP64(0),
         epoch_bits           = 2
  };
}

對象頭

hash: 對象的哈希碼
age: 對象的分代年齡
biased_lock : 偏向鎖標(biāo)識位
lock: 鎖狀態(tài)標(biāo)識位
JavaThread* : 持有偏向鎖的線程ID
epoch: 偏向時間戳

例如在32位的HotSpot虛擬機(jī)中焕襟，如果對象處于未被鎖定的狀態(tài)下，那么Mark Word的32bit空間的25bit用于存儲對象哈希碼饭豹，4bit用于存儲對象分代年齡鸵赖，2bit用于存儲鎖標(biāo)志位，1bit固定為0
而在其他狀態(tài)(輕量級鎖拄衰，重量級鎖它褪，GC標(biāo)記，可偏向)下對象的存儲內(nèi)容如下表所示

32位系統(tǒng)

實(shí)例數(shù)據(jù)

實(shí)例數(shù)據(jù)部分是對象真正存儲的有效信息翘悉，也是在程序代碼中說定義的各種類型的字段內(nèi)容茫打。

對其填充

第三部分對其填充并不是必然存在的，也沒有特別的含義妖混，僅是占位符的作用老赤，因?yàn)镠otSpot VM的內(nèi)存管理系統(tǒng)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，換句話說制市，就是對象的大小必須是8字節(jié)的整數(shù)倍抬旺。而對象頭部分正好是8字節(jié)的倍數(shù)，因此當(dāng)對象實(shí)例數(shù)據(jù)部分沒有對齊時祥楣，就需要通過對齊填充來補(bǔ)全开财。

查看對象頭

我們可以通過openjdk的jol工具來查看對象頭存儲的內(nèi)容汉柒，首先代碼如下

<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol-core</artifactId>
  <version>0.9</version>
</dependency>

public class GetRange {
  // -XX:-UseCompressedOops
  public static void main(String[] args) {

    // 1字節(jié)=8位(1byte = 8bit)
    System.out.println(VM.current().details());

    MyClass myClass = new MyClass();

    ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(myClass);

    System.out.println("****New Object****");

    System.out.println(classLayout.toPrintable());

    int hashCode = myClass.hashCode();

    System.out.println("MyClass hashCode : " + hashCode) ;
    System.out.println("MyClass hashCode 二進(jìn)制 " + Integer.toBinaryString(hashCode));
    System.out.println("MyClass hashCode 二進(jìn)制長度 " + Integer.toBinaryString(hashCode).length());

    System.out.println();

    System.out.println("****After invoke hashCode()****");

    System.out.println(classLayout.toPrintable(myClass));

    // 獲取系統(tǒng)字節(jié)序
    System.out.println("系統(tǒng)當(dāng)前字節(jié)序是：" + ByteOrder.nativeOrder());

  }
}

class MyClass {

  String name = "think123";

  int[] other;

  boolean status;
}

輸出內(nèi)容如下

jol-object-header.png

可以知道對象頭占了12個字節(jié),存在3個字節(jié)的對其填充。

jvm中使用oopDesc來描述一個對象

class oopDesc {
 private:
  volatile markOop _mark;
  union _metadata {
    Klass*      _klass;
    narrowKlass _compressed_klass;
  } _metadata;

}

我們可以看到對象頭被有兩部分责鳍，mark 部分竭翠，官方稱為 mark word,存儲的是哈希碼，對象分代年齡薇搁，偏向鎖標(biāo)志等信息斋扰。mark word長度是一個系統(tǒng)子寬，在64bit系統(tǒng)上是8個字節(jié)啃洋。

第二部分是klass的類型指針传货，指向這個對象是哪個類的實(shí)例,這里使用的是union這個聯(lián)合體，表示變量_klass和_compressed_klass共享同一段內(nèi)存宏娄。未開啟指針壓縮時使用_klass问裕，開啟指針壓縮時使用_compressed_klass。narrowKlass實(shí)際上是一個32bit的unsigned int類型孵坚，因此占用4個字節(jié)粮宛，所以開啟指針壓縮后對象的頭部長度整體為12字節(jié)。

narrowKlass定義在hotspot/src/share/vm/oops/oopsHierarchy.hpp,它是juint類型卖宠，實(shí)際上是32bit的unsigned int

對象體：MyClass中定義了三個字段,int[],String都占用4個字節(jié)長度,boolean類型的占用了1個字節(jié)長度

填充部分：上面對象頭和對象體長度和為21字節(jié)巍杈，因?yàn)橐?字節(jié)對齊，因此需要填充3字節(jié)扛伍，這樣就剛好等于24字節(jié)筷畦。

當(dāng)我們關(guān)閉指針壓縮后(-XX:-UseCompressedOops),mark word占16個字節(jié)，同時也采用8字節(jié)進(jìn)行對其刺洒。name和other兩個數(shù)據(jù)域分別占據(jù)8字節(jié)鳖宾。而開啟指針壓縮之后，這兩個字節(jié)分別占用4個字節(jié)逆航。
所以開啟這個選項(xiàng)是可以節(jié)約內(nèi)存的鼎文，從jdk8之后已經(jīng)默認(rèn)開啟此選項(xiàng)。

未開啟指針壓縮

上面我把當(dāng)前系統(tǒng)的字節(jié)序打印了出來因俐，可以看到當(dāng)前是小字節(jié)序拇惋。

舉例來說，數(shù)值0x2211使用兩個字節(jié)儲存：高位字節(jié)是0x22女揭，低位字節(jié)是0x11蚤假。
大端字節(jié)序：高位字節(jié)在前栏饮，低位字節(jié)在后吧兔，這是人類讀寫數(shù)值的方法。
小端字節(jié)序：低位字節(jié)在前袍嬉，高位字節(jié)在后境蔼，即以0x1122形式儲存灶平。

因此我們查看myClass的hashCode的時候就要倒著看了。我們查看object header中的hashcode要從第9位到39位(64位系統(tǒng)中,用31字節(jié)保存哈希)開始查看箍土。


myClass的hashcode(長度為30,最高位補(bǔ)2個0) :

myClass HashCode :    00100001 01011000 10001000 00001001

Mark Word中HashCode : 00001001 10001000 01011000 0 0100001

可以發(fā)現(xiàn)myClass的hashCode和mark word中的存儲剛好是反著來的逢享。

不是說存儲hash的只有31位嗎？為什么這里用32位來比較呢吴藻？我用32位來比較是為了更加易于觀察瞒爬。實(shí)際上MarkWord中保存哈希碼最后8位的第一位0是從未使用的25位中借來的(需要結(jié)合小字節(jié)序)

接下來，我們使用JOL工具查看處于不同鎖狀態(tài)下沟堡，mark word中的標(biāo)志位是怎樣的侧但。

偏向鎖

首先我們來看偏向鎖，由于JVM默認(rèn)會在啟動后4秒才會啟動偏向鎖航罗，所以測試時需要設(shè)置馬上啟動偏向鎖(-XX:BiasedLockingStartupDelay=0)

// -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    Layouter layouter = new HotSpotLayouter(new X86_32_DataModel());

    MyClass myClass = new MyClass();

    ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(myClass);

    System.out.println("進(jìn)入同步代碼塊之前:");
    System.out.println(layout.toPrintable());


    synchronized (myClass) {
      System.out.println("同步代碼塊中:");
      System.out.println(layout.toPrintable());
    }

    System.out.println("退出同步代碼塊后:");
    System.out.println(layout.toPrintable());

}

偏向鎖

可以看到在進(jìn)入同步代碼塊之前低8位是00000101,表示處于偏向鎖(后三位是101),但是現(xiàn)在還沒有偏向任何一個線程禀横，因此沒有數(shù)據(jù)
處于同步代碼塊中以及退出同步代碼塊時,mark word一致，低8位都是00000101,處于偏向鎖粥血，且存儲了偏向線程id以及時間戳等信息柏锄。說明退出同步塊后，依然保留偏向鎖的信息

輕量級鎖和重量級鎖

我們使用下面的代碼來演示輕量級鎖以及重量級時狀態(tài)位的變化情況

 //不設(shè)置立刻啟動偏向鎖
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    Layouter layouter = new HotSpotLayouter(new X86_32_DataModel());

    MyClass myClass = new MyClass();

    ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(myClass);

    System.out.println("創(chuàng)建t1線程之前:");
    System.out.println(layout.toPrintable());

    Thread t1 = new Thread(() -> {
       synchronized ((myClass)) {
         try {
             TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
       }
    });

    t1.start();

    System.out.println("持有鎖之前:");
    System.out.println(layout.toPrintable());


    synchronized (myClass) {
        System.out.println("持有鎖中:");
        System.out.println(layout.toPrintable());
    }

    System.out.println("釋放鎖:");
    System.out.println(layout.toPrintable());

    System.out.println("System.gc() 后");
    System.gc();
    System.out.println(layout.toPrintable());

}

運(yùn)行結(jié)果如下：

輕量級鎖和重量級鎖

mark word的狀態(tài)變更過程如下:

創(chuàng)建t1線程前階段复亏，鎖標(biāo)志位為01趾娃，偏向鎖標(biāo)志位為0，處于無鎖狀態(tài)
main線程持有鎖之前階段缔御，標(biāo)志位為00茫舶，屬于輕量級鎖，此時t1線程已經(jīng)持有鎖且main線程未請求鎖刹淌，所以此時無競爭
main線程持有鎖階段饶氏，標(biāo)志位為10，膨脹為重量級鎖有勾，此時t線程已經(jīng)已經(jīng)釋放了鎖疹启，main線程獲取鎖成功，即此時存在競爭
main線程釋放鎖階段蔼卡，標(biāo)志位為10喊崖，仍為重量級鎖，不會自動降級
System.gc后階段雇逞，恢復(fù)為無鎖狀態(tài)荤懂，GC年齡變?yōu)?

至此，我們知道了處于不同鎖情況下塘砸，狀態(tài)位的變化情況节仿。

寫到最后

創(chuàng)作不易，請大家點(diǎn)個贊呀掉蔬。

Java對象在內(nèi)存中的布局 沒有你想的那么神秘

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對象在內(nèi)存中的布局

對象頭

實(shí)例數(shù)據(jù)

對其填充

查看對象頭

偏向鎖

輕量級鎖和重量級鎖

寫到最后

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