Java對象記憶體模型

2 Java對象記憶體模型

在HotSpot虛拟機中，對象在記憶體中存儲的布局可以分為3塊區域：對象頭（Header）、 執行個體資料（Instance Data）和對齊填充（Padding）。

在 JVM 中，Java對象儲存在堆中時，由以下三部分組成：

• 對象頭（object header）：包括了關于堆對象的布局、類型、GC狀态、同步狀态和辨別哈希碼的基本資訊。Java對象和vm内部對象都有一個共同的對象頭格式。
• 執行個體資料（Instance Data）：主要是存放類的資料資訊，父類的資訊，對象字段屬性資訊。
• 對齊填充（Padding）：為了位元組對齊，填充的資料，不是必須的。湊齊8位元組的倍數。

2.1 對象頭

對象頭包括兩部分資訊，第一部分用于存儲對象自身的運作時資料（MarkWord）， 如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀态标志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時 間戳等。對象頭的另外一部分是類型指針（Klass Pointer），即對象指向它的類中繼資料的指針，虛拟機通過這個指針來确定這個對象是哪個類的執行個體。

// oopDesc hotspot對象頭
volatile markOop  _mark;
union _metadata {
    wideKlassOop    _klass;
    narrowOop       _compressed_klass;
} _metadata;
           

Mark Word在32位JVM中的長度是32bit，在64位JVM中長度是64bit。

markword組成内容基本一緻。

• 鎖标志位（lock）：區分鎖狀态，11時表示對象待GC回收狀态, 隻有最後2位鎖辨別(11)有效。
• biased_lock：是否偏向鎖，由于無鎖和偏向鎖的鎖辨別都是 01，沒辦法區分，這裡引入一位的偏向鎖辨別位。
• 分代年齡（age）：表示對象被GC的次數，當該次數到達門檻值的時候，對象就會轉移到老年代。
• 對象的hashcode（hash）：運作期間調用System.identityHashCode()來計算，延遲計算，并把結果指派到這裡。當對象加鎖後，計算的結果31位不夠表示，在偏向鎖，輕量鎖，重量鎖，hashcode會被轉移到Monitor中。
• 偏向鎖的線程ID（JavaThread）：偏向模式的時候，當某個線程持有對象的時候，對象這裡就會被置為該線程的ID。 在後面的操作中，就無需再進行嘗試擷取鎖的動作。
• epoch：偏向鎖在CAS鎖操作過程中，偏向性辨別，表示對象更偏向哪個鎖。
• ptr_to_lock_record：輕量級鎖狀态下，指向棧中鎖記錄的指針。當鎖擷取是無競争的時，JVM使用原子操作而不是OS互斥。這種技術稱為輕量級鎖定。在輕量級鎖定的情況下，JVM通過CAS操作在對象的markword中設定指向鎖記錄的指針。
• ptr_to_heavyweight_monitor：重量級鎖狀态下，指向對象螢幕Monitor的指針。如果兩個不同的線程同時在同一個對象上競争，則必須将輕量級鎖定更新到Monitor以管理等待的線程。在重量級鎖定的情況下，JVM在對象的ptr_to_heavyweight_monitor設定指向Monitor的指針。

2.2 對象資訊

使用openjdk的jol工具列印對象資訊。引入依賴

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

1 無屬性對象

// 列印無屬性對象
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Object()).toPrintable());
// 對象資訊
java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
           

對象資訊分析

• OFFSET：偏移位址，機關位元組；
• SIZE：占用的記憶體大小，機關為位元組；
• TYPE DESCRIPTION：類型描述，其中object header為對象頭；
• VALUE：對應記憶體中目前存儲的值，二進制32位；

對于普通無屬性對象，一共占用16位元組，其中對象頭markword占用8個位元組，類型指針占用4個位元組，剩餘4個位元組用于對齊填充，沒有執行個體資料。

JDK8版本預設開啟指針壓縮（

-XX:+UseCompressedOops

），如果關閉指針壓縮，類型指針占用8個位元組，不再需要對齊填充。

2 數組對象

// 列印數組
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new int[]{}).toPrintable());
// 對象資訊
[I object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
     12     4        (object header)   // 數組長度              00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     16     0    int [I.<elements>                             N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
           

對于數組對象，類型指針後有4個位元組記錄數組長度。因為虛拟機可以通過普通Java對象的中繼資料資訊确定Java對象大小，如果數組長度不确定，則無法推斷出數組對象大小。

3 有屬性對象

// 列印有屬性對象
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new User()).toPrintable());
class User {
    int id;			// 4B
    String name;	// 4B 未經類型壓縮為8B
    byte b;			// 1B
    Object o;		// 4B 未經類型壓縮為8B
}
// 對象資訊
com.lzp.java.jvm.memory.User object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
// 對象頭 12位元組
     0     4                    (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
     4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     8     4                    (object header)                           65 cc 00 f8 (01100101 11001100 00000000 11111000) (-134165403)
// 執行個體資料
     12     4                int User.id                                   0
     16     1               byte User.b                                    0
     17     3                    (alignment/padding gap)   // 對齊               
     20     4   java.lang.String User.name                                 null
     24     4   java.lang.Object User.o                                    null
// 對齊填充
     28     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total
           

通過這一節的分析，我們可以比較輕松地估計出一個對象的大小，即對象頭+執行個體資料+對象填充，得到一個8位元組倍數的值。

2.3 其他

1 JVM每次GC，對象分代年齡加1，當年齡增加到15時晉升到老年代。為什麼是15？

在Mark Word中可以發現标記對象分代年齡的配置設定的空間是4bit，而4bit能表示的最大數就是2^4-1 = 15。

2 為什麼要進行指針壓縮？

通過指針壓縮，類型指針、對象引用等由8位元組轉為4個位元組。降低對象占用的記憶體大小，順便減輕GC壓力；當指針移動時，減少帶寬損耗。

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