Java对象内存布局之谜

一个Java对象在堆上除了成员信息，还有其他内容吗？他在堆上是如何布局的？接下来本文将以Hotspot为例分析Java对象内存布局之谜。

堆中的Java对象

在Hotspot中一个Java对象包含如下三个部分:

1. 对象头
2. 实例信息
3. 对齐信息

对象头

对象头要分两种类型：

• 普通对象包含：Mark Word、Klass Pointer
• 数组对象包含：Mark Word、Klass Pointer、Array Length

不同类型JVM下，对象头每一部分占用内存大小

数据类型	32位JVM(bit)	64位JVM(bit)	开启指针压缩的64位JVM(bit)
Mark Word	32	64	64
Klass Pointer	32	64	32
Array Length	32	32	32

可见在64位JVM中开启指针压缩(-XX:UseCompressedOops)后, JVM只是针对类型指针(Klass Pointer)进行压缩。而数组长度不管在什么类型的JVM里都是32bit。

不同类型JVM下，对象头占用内存大小

数据类型	32位JVM(bit)	64位JVM(bit)	开启指针压缩的64位JVM(bit)
普通对象	64	128	96
数组对象	96	160	128

由此可见，对象头还是比较耗空间的。那么用了这么多内存，对象头具体都存放了写什么信息呢？

mark word

mark word里存放的是对象运行时的信息，不同状态的对象里mark word 存放的信息是不同的。具体内容可看下表：

32位JVM

存储内容(30bit)	锁状态(2bit)
identify_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1	(01)无锁
threadId:23 | age:4 | epoch:2 | biased_lock:1	(01)偏向锁
ptr_to_lock_record:30	(00)轻量级锁
ptr_to_heavyweight_monitor:30	(10)重量级锁
gc_info:30	(11)GC标记

64位JVM

存储内容(62bit)	锁状态(2bit)
unused:25 | identify_hashcode:25 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1	(01)无锁
threadId:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1	(01)偏向锁
ptr_to_lock_record:62	(00)轻量级锁
ptr_to_heavyweight_monitor:62	(10)重量级锁
gc_info:62	(11)GC标记

1. 名词解释：

   • age: GC分代年龄
   • identify_hashcode: 对象的hashcode值
   • threadId: 偏向线程的Id
   • biased_lock: 是否是偏向锁，因为只占一个bit,所以只有0和1
   • epoch: 偏向时间戳
   • ptr_to_lock_record: 指向栈中轻量级锁记录的指针
   • ptr_to_heavyweight_monitor:指向栈中重量级锁的指针
   • GC标记: 用于GC算法对对象的标记
   • gc_info: GC算法给不同状态的标记信息

2. 为什么要这么实现？

   1. 因为对象头信息是跟对象自身定义的数据结构无关的。这些信息所记录的状态是用于JVM对对象的管理的。更重要的是，不同状态的存储内容基本上是互斥的。所以基于节省空间的角度考虑，Mark Word 被设计成动态的。

3. identify_hashcode 既然有方法可以生成为什么要放在对象头里？

   1. 当一个对象的hashCode()未被重写时，调用这个方法会返回一个由随机数算法生成的值。因为一个对象的hashCode不可变，所以需要存到对象头中。当再次调用该方法时，会直接返回对象头中的hashcode。
   2. identify_hashcode 采用延迟加载的方式生成。只有调用hashcode()时，才会写入对象头。若一个类的hashCode()方法被重写，对象头中将不存储hashcode信息，因为一般我们自己实现的hashcode()并未将生成的值写入对象头。

4. 当对象的状态不是默认状态时，对象的hashcode去哪儿了？

   1. 当是轻量级锁/重量级锁时，jvm会将对象的 mark word 复制一份到栈帧的Lock Record中。 等线程释放该对象时，再重新复制给对象。
   2. 如果一个对象头中存在hashcode,则无法使用偏向锁。

Klass Pointer

类型指针存放的是该对象对应的类的指针。即该指针应该指向方法区的内存区域。

Array Length

数组长度只在数组类型的对象中存在。用于记录数组的长度。避免获取数组长度时，动态计算。以空间换时间。

实例信息

该部分存储了一个类定义的所有的数据类型信息,包含从父类中继承的信息。

分配策略

• 相同宽度的字段放在一起
• 父类的字段在前，子类的字段在后
• 若设置CompactFields=true,则子类窄类型的变量也可能插入到父类的变量的空隙中

对齐信息

由于HotSpot规定对象的大小必须是8的整数倍，而对象头刚好是8的整数倍，如果对象实例数据这部分不是的话，就需要占位符对齐填充。

参考

• <<深入理解Java虚拟机: JVM高级特性与最佳实践>>