Java | Object obj = new Object()

前言

• 前面的文章我们从整体上概括了Java 虚拟机的运行时数据区域；
• 在这一篇文章里，我们将来讨论Java 堆上对象的内存布局 & 访问（以HotSpot 虚拟机为例）

延伸文章

• 对于锁 & 锁升级的流程不太了解，请阅读：《Java | 锁的四种状态与锁升级过程》

• 对于Object#hashcode()不太了解，请阅读：《多次调用 hashcode()，返回值一样吗？》

目录

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1. 实验结果

JOL（Java Object Layout）是OpenJDK提供的用于分析对象内存布局的工具，地址：JOL。主要的局限性是只支持HotSpot/OpenJDK虚拟机，如果在其他虚拟机上使用会报错：

java.lang.IllegalStateException: Only HotSpot/OpenJDK VMs are supported

现在，我们使用JOL分析new Object()在 HotSpot 虚拟机上的内存布局：

步骤一：添加依赖
implementation 'org.openjdk.jol:jol-core:0.11'

步骤二：创建对象
Object obj = new Object();

步骤三：打印对象内存布局

1. 输出虚拟机与对象内存布局相关的信息
System.out.println(VM.current().details());
2. 输出对象内存布局信息
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

输出结果如下：

# Running 64-bit HotSpot VM.
# Using compressed oop with 3-bit shift.
# Using compressed klass with 3-bit shift.
# Objects are 8 bytes aligned.
# Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
# Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]

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

其中关于虚拟机的信息：

• Running 64-bit HotSpot VM. 表示运行在64位的 HotSpot 虚拟机
• Using compressed oop with 3-bit shift. 见第 7 节分析
• Using compressed klass with 3-bit shift. 见第 7 节分析
• Objects are 8 bytes aligned. 表示对象按 8 字节对齐
• Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes] ，依次表示引用、boolean、byte、char、short、int、float、long、double类型占用的长度，见源码：

HotspotUnsafe.java

public String details() {
    // ...
    out.printf("# %-19s: %d, %d, %d, %d, %d, %d, %d, %d, %d [bytes]%n",
                "Field sizes by type",
                oopSize,
                sizes.booleanSize,
                sizes.byteSize,
                sizes.charSize,
                sizes.shortSize,
                sizes.intSize,
                sizes.floatSize,
                sizes.longSize,
                sizes.doubleSize
        );
}

• Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]，依次表示数组元素长度

其中关于Object对象的信息里，虽然存在很多不理解的数据，但是至少可以清楚地看到Instance size: 16 bytes 。这个是不是就是题目的答案呢？

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2. 对象内存布局的基本结构

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3. 对象头（Header）

对象头包含Mark Work和可选的类型指针 & 数组长度。由于对象头里的信息是与对象实例数据无关的额外存储成本，Mark Word 被设计为一个有状态的动态数据结构，将根据对象的状态复用自己的存储空间。

3.1 Mark Work

3.2 类型指针（Class Pointer）

• 定义： 指向方法区中的类型元数据
• 长度： 在 32 位机器上占用 4 个字节，在 64 位机器上占 8 个字节。虚拟机（默认）通过指针压缩将长度压缩到 4 个字节，通过以下虚拟机参数控制，关于指针压缩见第 7 节

-XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops

• 注意： 并不是所有虚拟机实现都将类型指针存在对象数据上。具体取决于虚拟机使用的对象的访问定位方式，如果是使用直接指针的方式，对象的内存布局就必须放置访问类型数据的指针。

3.3 数组长度（可选）

• 定义： 指数组对象的长度（指元素个数，非占用内存空间）。
• 长度： 4 个字节
• 描述： 普通Java对象的大小可以通过元数据信息确定，但是对于数组对象来说，无法通过元数据的信息确定数组的长度。因此，如果对象是一个Java数组，那么对象头中会有一块记录数组长度的区域。例如：

源码：
char [] str = new char[2];
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(str).toPrintable());

------------------------------------------------------
JOL：
[C 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)    41 00 00 f8 (01000001 00000000 00000000 11111000) (-134217663)
     12     4        (object header)    【数组长度：2】02 00 00 00 (00000010 00000000 00000000 00000000) (2)
     16     4   char [C.<elements>     N/A
     20     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

可以看到，对象头中有一块 4 字节的区域，值为2，表示该数组长度为 2。

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4. 实例数据（Instance Data）

实例数据是对象的有效信息，可以理解为报文段中的payload。对象的实例数据包括本类声明的实例字段和从父类继承的实例字段，但不包括类级字段（存储在方法区）。字段的存储顺序与字段声明顺序和分配策略参数有关：

• 相同宽度的字段分配在一起：longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs）

• 父类字段在子类字段之前

• 使用-XX：FieldsAllocationStyle、+XX：CompactFields可以影响分配策略

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5. 对齐填充（Padding）

HotSpot要求对象的大小必须按 8 字节对齐（即第一节中Objects are 8 bytes aligned.的含义），如果对象占用空间不是 8 字节的倍数，则需要增加对齐填充数据。

直观来看，“无效”的填充数据使得对象占用空间加大，增大了虚拟机的内存消耗。那么为什么要这么做呢？最主要的原因是对象按规整对齐是指针压缩的前提，具体见第 7 节。

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6.对象的访问定位

Editting...

7.指针压缩

Editting...

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参考资料

• 《JVM Anatomy Quark #23: Compressed References》 —— Aleksey Shipilёv 著
• 《深入理解Java虚拟机（第3版本）》（第2、13章）—— 周志明 著
• 《Android进阶解密》（第10章）—— 刘望舒 著
• 《Java并发编程的艺术》​（第2、6章）—— 方腾飞、魏鹏、程晓明 著

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