高階面試必備：一個Java物件佔用多大記憶體

rickiyang發表於2020-12-29
面試Java物件記憶體

這個問題一般會出現在稍微高階一點的 Java 面試環節。要求面試者不僅對 Java 基礎知識熟悉，更重要的是要了解記憶體模型。

Java 物件模型

HotSpot JVM 使用名為 oops (Ordinary Object Pointers) 的資料結構來表示物件。這些 oops 等同於本地 C 指標。 instanceOops 是一種特殊的 oop，表示 Java 中的物件例項。

在 Hotspot VM 中，物件在記憶體中的儲存佈局分為 3 塊區域：

  • 物件頭（Header）
  • 例項資料（Instance Data）
  • 對齊填充（Padding）

物件頭又包括三部分：MarkWord、後設資料指標、陣列長度。

  • MarkWord：用於儲存物件執行時的資料，好比 HashCode、鎖狀態標誌、GC分代年齡等。這部分在 64 位作業系統下佔 8 位元組，32 位作業系統下佔 4 位元組。
  • 指標：物件指向它的類後設資料的指標，虛擬機器通過這個指標來確定這個物件是哪一個類的例項。
    這部分就涉及到指標壓縮的概念，在開啟指標壓縮的狀況下佔 4 位元組，未開啟狀況下佔 8 位元組。
  • 陣列長度：這部分只有是陣列物件才有，若是是非陣列物件就沒這部分。這部分佔 4 位元組。

例項資料就不用說了，用於儲存物件中的各類型別的欄位資訊（包括從父類繼承來的）。

關於對齊填充，Java 物件的大小預設是按照 8 位元組對齊，也就是說 Java 物件的大小必須是 8 位元組的倍數。若是算到最後不夠 8 位元組的話，那麼就會進行對齊填充。

那麼為何非要進行 8 位元組對齊呢？這樣豈不是浪費了空間資源？

其實不然，由於 CPU 進行記憶體訪問時，一次定址的指標大小是 8 位元組，正好也是 L1 快取行的大小。如果不進行記憶體對齊，則可能出現跨快取行的情況，這叫做 快取行汙染。

由於當 obj1 物件的欄位被修改後，那麼 CPU 在訪問 obj2 物件時，必須將其重新載入到快取行，因此影響了程式執行效率。

也就說，8位元組對齊，是為了效率的提高，以空間換時間的一種方案。固然你還能夠 16 位元組對齊，可是 8 位元組是最優選擇。

正如我們之前看到的，JVM 為物件進行填充，使其大小變為 8 個位元組的倍數。使用這些填充後，oops 中的最後三位始終為零。這是因為在二進位制中 8 的倍數的數字總是以 000 結尾。

由於 JVM 已經知道最後三位始終為零，因此在堆中儲存那些零是沒有意義的。相反假設它們存在並儲存 3 個其他更重要的位，以此來模擬 35 位的記憶體地址。現在我們有一個帶有 3 個右移零的 32 位地址，所以我們將 35 位指標壓縮成 32 位指標。這意味著我們可以在不使用 64 位引用的情況下使用最多 32 GB ：
(2(32+3)=235=32 GB) 的堆空間。

當 JVM 需要在記憶體中找到一個物件時，它將指標向左移動 3 位。另一方面當堆載入指標時，JVM 將指標向右移動 3 位以丟棄先前新增的零。雖然這個操作需要 JVM 執行更多的計算以節省一些空間，不過對於大多數CPU來說，位移是一個非常簡單的操作。

要啟用 oop 壓縮，我們可以使用標誌 -XX：+UseCompressedOops 進行調整，只要最大堆大小小於 32 GB。當最大堆大小超過32 GB時，JVM將自動關閉 oop 壓縮。

當 Java 堆大小大於 32GB 時也可以使用壓縮指標。雖然預設物件對齊是 8 個位元組，但可以使用 -XX：ObjectAlignmentInBytes 配置位元組值。指定的值應為 2 的冪，並且必須在 8 和 256 的範圍內。

我們可以使用壓縮指標計算最大可能的堆大小，如下所示：

4 GB * ObjectAlignmentInBytes

例如，當物件對齊為 16 個位元組時，通過壓縮指標最多可以使用 64 GB 的堆空間。

基本型別佔用儲存空間和指標壓縮

基礎物件佔用儲存空間

Java 基礎物件在記憶體中佔用的空間如下：

型別 佔用空間(byte)
boolean 1
byte 1
short 2
char 2
int 4
float 4
long 8
double 8

另外，引用型別在 32 位系統上每個引用物件佔用 4 byte，在 64 位系統上每個引用物件佔用 8 byte。

對於 32 位系統，記憶體地址的寬度就是32位，這就意味著我們最大能獲取的記憶體空間是 2^32（4 G）位元組。在 64 位的機器中，理論上我們能獲取到的記憶體容量是 2^64 位元組。

當然這只是一個理論值，現實中因為有一堆有關硬體和軟體的因素限制，我們能得到的記憶體要少得多。比如說，Windows 7 Home Basic 64 位最大僅支援 8GB 記憶體、Home Premium 為 192GB，此外高階的Enterprise、Ultimate 等則支援支援 192GB 的最大記憶體。

因為系統架構限制，Windows 32位系統能夠識別的記憶體最大在 3.235GB 左右，也就是說 4GB 的記憶體條有 0.5GB 左右用不了。2GB 記憶體條或者 2GB+1GB 記憶體條用 32 位系統絲毫沒有影響。

現在一般都是使用 64 位的系統，雖然能支援更大的記憶體空間，但是也會有另一些問題。

像引用型別在 64 位系統上佔用 8 個位元組，那麼引用物件將會佔用更多的堆空間。從而加快了 GC 的發生。其次會降低CPU快取的命中率，快取大小是固定的，物件越大能快取的物件個數就越少。

Java 中基礎資料型別是在棧上分配還是在堆上分配？

我們繼續深究一下，基本資料類佔用記憶體大小是固定的，那具體是在哪分配的呢，是在堆還是棧還是方法區？大家不妨想想看！ 要解答這個問題，首先要看這個資料型別在哪裡定義的，有以下三種情況。

  • 如果在方法體內定義的，這時候就是在棧上分配的
  • 如果是類的成員變數，這時候就是在堆上分配的
  • 如果是類的靜態成員變數，在方法區上分配的
指標壓縮

引用型別在 64 位系統上佔用 8 個位元組，雖然一個並不大，但是耐不住多。

所以為了解決這個問題，JDK 1.6 開始 64 bit JVM 正式支援了 -XX:+UseCompressedOops (需要jdk1.6.0_14) ，這個引數可以壓縮指標。

啟用 CompressOops 後，會壓縮的物件包括：

  • 物件的全域性靜態變數(即類屬性)；
  • 物件頭資訊：64 位系統下，原生物件頭大小為 16 位元組，壓縮後為 12 位元組；
  • 物件的引用型別：64 位系統下，引用型別本身大小為 8 位元組，壓縮後為 4 位元組；
  • 物件陣列型別：64 位平臺下，陣列型別本身大小為 24 位元組，壓縮後 16 位元組。

當然壓縮也不是萬能的，針對一些特殊型別的指標 JVM是不會優化的。 比如：

  • 指向非 Heap 的物件指標
  • 區域性變數、傳參、返回值、NULL指標。
CompressedOops 工作原理

32 位內最多可以表示 4GB，64 位地址為 堆的基地址 + 偏移量，當堆記憶體 < 32GB 時候，在壓縮過程中，把 偏移量 / 8 後儲存到 32 位地址。在解壓再把 32 位地址放大 8 倍，所以啟用 CompressedOops 的條件是堆記憶體要在 4GB * 8=32GB 以內。

JVM 的實現方式是，不再儲存所有引用，而是每隔 8 個位元組儲存一個引用。例如，原來儲存每個引用 0、1、2...，現在只儲存 0、8、16...。因此，指標壓縮後，並不是所有引用都儲存在堆中，而是以 8 個位元組為間隔儲存引用。

在實現上，堆中的引用其實還是按照 0x0、0x1、0x2... 進行儲存。只不過當引用被存入 64 位的暫存器時，JVM 將其左移 3 位（相當於末尾新增 3 個0），例如 0x0、0x1、0x2... 分別被轉換為 0x0、0x8、0x10。而當從暫存器讀出時，JVM 又可以右移 3 位，丟棄末尾的 0。（oop 在堆中是 32 位，在暫存器中是 35 位，2的 35 次方 = 32G。也就是說使用 32 位，來達到 35 位 oop 所能引用的堆記憶體空間）。

Java 物件到底佔用多大記憶體

前面我們分析了 Java 物件到底都包含哪些東西，所以現在我們可以開始剖析一個 Java 物件到底佔用多大記憶體。

由於現在基本都是 64 位的虛擬機器，所以後面的討論都是基於 64 位虛擬機器。 首先記住公式，物件由 物件頭 + 例項資料 + padding 填充位元組組成，虛擬機器規範要求物件所佔記憶體必須是 8 的倍數，padding 就是幹這個的。

上面說過物件頭由 Markword + 類指標kclass（該指標指向該型別在方法區的元型別） 組成。

Markword

Hotspot 虛擬機器文件 “oops/oop.hp” 有對 Markword 欄位的定義：

64 bits:

--------

unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)

JavaThread:54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)

PromotedObject:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)

size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)

這裡簡單解釋下這幾種 object：

  • normal object，初始 new 出來的物件都是這種狀態
  • biased object，當某個物件被作為同步鎖物件時，會有一個偏向鎖，其實就是儲存了持有該同步鎖的執行緒 id，關於偏向鎖的知識這裡就不再贅述了，大家可以自行查閱相關資料。
  • CMS promoted object 和 CMS free block 我也不清楚到底是啥，但是看名字似乎跟CMS 垃圾回收器有關，這裡我們也可以暫時忽略它們

我們主要關注 normal object， 這種型別的 Object 的 Markword 一共是 8 個位元組（64位），其中 25 位暫時沒有使用，31 位儲存物件的 hash 值（注意這裡儲存的 hash 值對根據物件地址算出來的 hash 值，不是重寫 hashcode 方法裡面的返回值），中間有 1 位沒有使用，還有 4 位儲存物件的 age（分代回收中物件的年齡，超過 15 晉升入老年代），最後三位表示偏向鎖標識和鎖標識，主要就是用來區分物件的鎖狀態（未鎖定，偏向鎖，輕量級鎖，重量級鎖）

biased object 的物件頭 Markword 前 54 位來儲存持有該鎖的執行緒 id，這樣就沒有空間儲存 hashcode了，所以 對於沒有重寫 hashcode 的物件，如果 hashcode 被計算過並儲存在物件頭中，則該物件作為同步鎖時，不會進入偏向鎖狀態，因為已經沒地方存偏向 thread id 了，所以我們在選擇同步鎖物件時，最好重寫該物件的 hashcode 方法，使偏向鎖能夠生效。

我們來 new 一個空物件：

class ObjA {
}

理論上一個空物件佔用記憶體大小隻有物件頭資訊，物件頭佔 12 個位元組。那麼 ObjA.class 應該佔用的儲存空間就是 12 位元組，考慮到 8 位元組的對齊填充，那麼會補上 4 位元組填充到 8 的 2倍，總共就是 16位元組。怎麼驗證我們的結論呢？JDK 提供了一個工具，JOL 全稱為 Java Object Layout，是分析 JVM 中物件佈局的工具，該工具大量使用了 Unsafe、JVMTI 來解碼佈局情況。下面我們就使用這個工具來獲取一個 Java 物件的大小。

首先引入 Maven 依賴：

<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol-core</artifactId>
  <version>0.14</version>
</dependency>

我們來看使用：

package com.trace.agent;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.util.List;

/**
 * @author rickiyang
 * @date 2020-12-27
 * @Desc TODO
 */
public class ObjSiZeTest {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(new ObjA());
        System.out.println(classLayout.toPrintable());
    }
}



class ObjA {
}

輸出：

com.trace.agent.ObjA 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)                           43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

從上面的結果能看到物件頭是 12 個位元組，還有 4 個位元組的 padding，一共 16 個位元組。我們的推測結果沒有錯。

接著看另一個案例：

package com.trace.agent;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * @author rickiyang
 * @date 2020-12-27
 * @Desc TODO
 */
public class ObjSiZeTest {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(new ObjA());
        System.out.println(classLayout.toPrintable());
    }
}


class ObjA {
  
    private int i;

    private double d;

    private Integer io;

}

一共三個屬性：

int 型別佔 4 個位元組 ，double 型別佔 8 個位元組，Integer 是引用型別，64 位系統佔 4 個位元組。一共 16 個位元組。

加上物件頭 12 位元組，顯然不夠 8 的倍數，所以還得 4 位元組的填充，加起來就是 32 位元組

接著使用 JOL 來分析一下：

com.trace.agent.ObjA 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)                           43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
     12     4                 int ObjA.i                                    0
     16     8              double ObjA.d                                    0.0
     24     4   java.lang.Integer ObjA.io                                   null
     28     4                     (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

一共 32 位元組。

相關文章