作為一名Java程式設計師，我們在日常工作中使用這款物件導向的程式語言時，做的最頻繁的操作大概就是去建立一個個的物件了。物件的建立方式雖然有很多，可以通過new、反射、clone、反序列化等不同方式來建立，但最終使用時物件都要被放到記憶體中，那麼你知道在記憶體中的java物件是由哪些部分組成、又是怎麼儲存的嗎？
本文將基於程式碼進行例項測試，詳細探討物件在記憶體中的組成結構。全文目錄結構如下：
文中程式碼基於 JDK 1.8.0_261，64-Bit HotSpot 執行
1、物件記憶體結構概述
在介紹物件在記憶體中的組成結構前，我們先簡要回顧一個物件的建立過程：
1、jvm將物件所在的class檔案載入到方法區中
2、jvm讀取main方法入口，將main方法入棧，執行建立物件程式碼
3、在main方法的棧記憶體中分配物件的引用，在堆中分配記憶體放入建立的物件，並將棧中的引用指向堆中的物件
所以當物件在例項化完成之後，是被存放在堆記憶體中的，這裡的物件由3部分組成，如下圖所示：
對各個組成部分的功能簡要進行說明：
-
物件頭：物件頭儲存的是物件在執行時狀態的相關資訊、指向該物件所屬類的後設資料的指標，如果物件是陣列物件那麼還會額外儲存物件的陣列長度
-
例項資料：例項資料儲存的是物件的真正有效資料，也就是各個屬性欄位的值，如果在擁有父類的情況下，還會包含父類的欄位。欄位的儲存順序會受到資料型別長度、以及虛擬機器的分配策略的影響
-
對齊填充位元組：在java物件中，需要對齊填充位元組的原因是，64位的jvm中物件的大小被要求向8位元組對齊，因此當物件的長度不足8位元組的整數倍時，需要在物件中進行填充操作。注意圖中對齊填充部分使用了虛線，這是因為填充位元組並不是固定存在的部分，這點在後面計算物件大小時具體進行說明
2、JOL 工具簡介
在具體開始研究物件的記憶體結構之前，先介紹一下我們要用到的工具，openjdk官網提供了檢視物件記憶體佈局的工具jol (java object layout)，可在maven中引入座標：
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.14</version>
</dependency>
在程式碼中使用jol提供的方法檢視jvm資訊：
System.out.println(VM.current().details());
通過列印出來的資訊，可以看到我們使用的是64位 jvm，並開啟了指標壓縮，物件預設使用8位元組對齊方式。通過jol檢視物件記憶體佈局的方法，將在後面的例子中具體展示，下面開始物件記憶體佈局的正式學習。
3、物件頭
首先看一下物件頭（Object header）的組成部分，根據普通物件和陣列物件的不同，結構將會有所不同。只有當物件是陣列物件才會有陣列長度部分，普通物件沒有該部分，如下圖所示：
在物件頭中mark word 佔8位元組，預設開啟指標壓縮的情況下Klass pointer 佔4位元組，陣列物件的陣列長度佔4位元組。在瞭解了物件頭的基礎結構後，現在以一個不包含任何屬性的空物件為例，檢視一下它的記憶體佈局，建立User類：
public class User {
}
使用jol檢視物件頭的記憶體佈局：
public static void main(String[] args) {
User user=new User();
//檢視物件的記憶體佈局
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}
執行程式碼，檢視列印資訊：
OFFSET：偏移地址，單位為位元組SIZE：佔用記憶體大小，單位為位元組TYPE：Class中定義的型別DESCRIPTION：型別描述，Obejct header表示物件頭，alignment表示對齊填充VALUE：對應記憶體中儲存的值
當前物件共佔用16位元組，因為8位元組標記字加4位元組的型別指標，不滿足向8位元組對齊，因此需要填充4個位元組：
8B (mark word) + 4B (klass pointer) + 0B (instance data) + 4B (padding)
這樣我們就通過直觀的方式，瞭解了一個不包含屬性的最簡單的空物件，在記憶體中的基本組成是怎樣的。在此基礎上，我們來深入學習物件頭中各個組成部分。
3.1 Mark Word 標記字
在物件頭中，mark word 一共有64個bit，用於儲存物件自身的執行時資料，標記物件處於以下5種狀態中的某一種：
3.1.1 鎖升級
在jdk6 之前，通過synchronized關鍵字加鎖時使用無差別的的重量級鎖，重量級鎖會造成執行緒的序列執行，並且使CPU在使用者態和核心態之間頻繁切換。隨著對synchronized的不斷優化，提出了鎖升級的概念，並引入了偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖。在mark word中，鎖（lock）標誌位佔用2個bit，結合1個bit偏向鎖（biased_lock）標誌位，這樣通過倒數的3位，就能用來標識當前物件持有的鎖的狀態，並判斷出其餘位儲存的是什麼資訊。
基於mark word的鎖升級的流程如下：
1、鎖物件剛建立時，沒有任何執行緒競爭，物件處於無鎖狀態。在上面列印的空物件的記憶體佈局中，根據大小端，得到最後8位是00000001，表示處於無鎖態，並且處於不可偏向狀態。這是因為在jdk中偏向鎖存在延遲4秒啟動，也就是說在jvm啟動後4秒後建立的物件才會開啟偏向鎖，我們通過jvm引數取消這個延遲時間：
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
這時最後3位為101，表示當前物件的鎖沒有被持有，並且處於可被偏向狀態。
2、在沒有執行緒競爭的條件下，第一個獲取鎖的執行緒通過CAS將自己的threadId寫入到該物件的mark word中，若後續該執行緒再次獲取鎖，需要比較當前執行緒threadId和物件mark word中的threadId是否一致，如果一致那麼可以直接獲取，並且鎖物件始終保持對該執行緒的偏向，也就是說偏向鎖不會主動釋放。
使用程式碼進行測試同一個執行緒重複獲取鎖的過程：
public static void main(String[] args) {
User user=new User();
synchronized (user){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
synchronized (user){
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}
}
執行結果：
可以看到一個執行緒對一個物件加鎖、解鎖、重新獲取物件的鎖時，mark word都沒有發生變化，偏向鎖中的當前執行緒指標始終指向同一個執行緒。
3、當兩個或以上執行緒交替獲取鎖，但並沒有在物件上併發的獲取鎖時，偏向鎖升級為輕量級鎖。在此階段，執行緒採取CAS的自旋方式嘗試獲取鎖，避免阻塞執行緒造成的cpu在使用者態和核心態間轉換的消耗。測試程式碼如下：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
User user=new User();
synchronized (user){
System.out.println("--MAIN--:"+ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}
Thread thread = new Thread(() -> {
synchronized (user) {
System.out.println("--THREAD--:"+ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}
});
thread.start();
thread.join();
System.out.println("--END--:"+ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}
先直接看一下結果：
整個加鎖狀態的變化流程如下：
- 主執行緒首先對user物件加鎖，首次加鎖為
101偏向鎖 - 子執行緒等待主執行緒釋放鎖後，對user物件加鎖，這時將偏向鎖升級為
00輕量級鎖 - 輕量級鎖解鎖後，user物件無執行緒競爭，恢復為
001無鎖態，並且處於不可偏向狀態。如果之後有執行緒再嘗試獲取user物件的鎖，會直接加輕量級鎖，而不是偏向鎖
4、當兩個或以上執行緒併發的在同一個物件上進行同步時，為了避免無用自旋消耗cpu，輕量級鎖會升級成重量級鎖。這時mark word中的指標指向的是monitor物件（也被稱為管程或監視器鎖）的起始地址。測試程式碼如下：
public static void main(String[] args) {
User user = new User();
new Thread(() -> {
synchronized (user) {
System.out.println("--THREAD1--:" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
new Thread(() -> {
synchronized (user) {
System.out.println("--THREAD2--:" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
檢視結果：
可以看到，在兩個執行緒同時競爭user物件的鎖時，會升級為10重量級鎖。
3.1.2 其他資訊
對mark word 中其他重要資訊進行說明：
hashcode：無鎖態下的hashcode採用了延遲載入技術，在第一次呼叫hashCode()方法時才會計算寫入。對這一過程進行驗證：
public static void main(String[] args) {
User user=new User();
//列印記憶體佈局
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
//計算hashCode
System.out.println(user.hashCode());
//再次列印記憶體佈局
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}
可以看到，在沒有呼叫hashCode()方法前，31位的雜湊值不存在，全部填充為0。在呼叫方法後，根據大小端，被填充的資料為：
1011001001101100011010010101101
將2進位制轉換為10進位制，對應雜湊值1496724653。需要注意，只有在呼叫沒有被重寫的Object.hashCode()方法或System.identityHashCode(Object)方法才會寫入mark word，執行使用者自定義的hashCode()方法不會被寫入。
大家可能會注意到，當物件被加鎖後，mark word中就沒有足夠空間來儲存hashCode了，這時hashcode會被移動到重量級鎖的Object Monitor中。
-
epoch：偏向鎖的時間戳 -
分代年齡（
age）：在jvm的垃圾回收過程中，每當物件經過一次Young GC，年齡都會加1，這裡4位來表示分代年齡最大值為15，這也就是為什麼物件的年齡超過15後會被移到老年代的原因。在啟動時可以通過新增引數來改變年齡閾值：
-XX:MaxTenuringThreshold
當設定的閾值超過15時，啟動時會報錯：
3.2 Klass Pointer 型別指標
Klass Pointer是一個指向方法區中Class資訊的指標，虛擬機器通過這個指標確定該物件屬於哪個類的例項。在64位的JVM中，支援指標壓縮功能，根據是否開啟指標壓縮，Klass Pointer佔用的大小將會不同：
- 未開啟指標壓縮時，型別指標佔用8B (64bit)
- 開啟指標壓縮情況下，型別指標佔用4B (32bit)
在jdk6之後的版本中，指標壓縮是被預設開啟的，可通過啟動引數開啟或關閉該功能：
#開啟指標壓縮：
-XX:+UseCompressedOops
#關閉指標壓縮：
-XX:-UseCompressedOops
還是以剛才的User類為例，關閉指標壓縮後再次檢視物件的記憶體佈局：
物件大小雖然還是16位元組，但是組成發生了改變，8位元組標記字加8位元組型別指標，已經能滿足對齊條件，因此不需要填充。
8B (mark word) + 8B (klass pointer) + 0B (instance data) + 0B (padding)
3.2.1 指標壓縮原理
在瞭解了指標壓縮的作用後，我們來看一下指標壓縮是如何實現的。首先在不開啟指標壓縮的情況下，一個物件的記憶體地址使用64位表示，這時能描述的記憶體地址範圍是：
0 ~ 2^64-1
在開啟指標壓縮後，使用4個位元組也就是32位，可以表示2^32 個記憶體地址，如果這個地址是真實地址的話，由於CPU定址的最小單位是Byte，那麼就是4GB記憶體。這對於我們來說是遠遠不夠的，但是之前我們說過，java中物件預設使用了8位元組對齊，也就是說1個物件佔用的空間必須是8位元組的整數倍，這樣就創造了一個條件，使jvm在定位一個物件時不需要使用真正的記憶體地址，而是定位到由java進行了8位元組對映後的地址（可以說是一個對映地址的編號）。
完成壓縮後，現在指標的32位中的每一個bit，都可以代表8個位元組，這樣就相當於使原有的記憶體地址得到了8倍的擴容。所以在8位元組對齊的情況下，32位最大能表示2^32*8=32GB記憶體，記憶體地址範圍是：
0 ~ (2^32-1)*8
由於能夠表示的最大記憶體是32GB，所以如果配置的最大的堆記憶體超過這個數值時，那麼指標壓縮將會失效。配置jvm啟動引數：
-Xmx32g
檢視物件記憶體佈局：
此時，指標壓縮失效，指標長度恢復到8位元組。那麼如果業務場景記憶體超過32GB怎麼辦呢，可以通過修改預設對齊長度進行再次擴充套件，我們將對齊長度修改為16位元組：
-XX:ObjectAlignmentInBytes=16 -Xmx32g
可以看到指標壓縮後佔4位元組，同時物件向16位元組進行了填充對齊，按照上面的計算，這時配置最大堆記憶體為64GB時指標壓縮才會失效。
對指標壓縮做一下簡單總結：
- 通過指標壓縮，利用對齊填充的特性，通過對映方式達到了記憶體地址擴充套件的效果
- 指標壓縮能夠節省記憶體空間，同時提高了程式的定址效率
- 堆記憶體設定時最好不要超過32GB，這時指標壓縮將會失效，造成空間的浪費
- 此外，指標壓縮不僅可以作用於物件頭的型別指標，還可以作用於引用型別的欄位指標，以及引用型別陣列指標
3.3 陣列長度
如果當物件是一個陣列物件時，那麼在物件頭中有一個儲存陣列長度的空間，佔用4位元組（32bit）空間。通過下面程式碼進行測試：
public static void main(String[] args) {
User[] user=new User[2];
//檢視物件的記憶體佈局
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}
執行程式碼，結果如下：
記憶體結構從上到下分別為：
- 8位元組
mark word - 4位元組
klass pointer - 4位元組陣列長度，值為2，表示陣列中有兩個元素
- 開啟指標壓縮後每個引用型別佔4位元組，陣列中兩個元素共佔8位元組
需要注意的是，在未開啟指標壓縮的情況下，在陣列長度後會有一段對齊填充位元組：
通過計算：
8B (mark word) + 8B (klass pointer) + 4B (array length) + 16B (instance data)=36B
需要向8位元組進行對齊，這裡選擇將對齊的4位元組新增在了陣列長度和例項資料之間。
4、例項資料
例項資料（Instance Data）儲存的是物件真正儲存的有效資訊，儲存了程式碼中定義的各種資料型別的欄位內容，並且如果有繼承關係存在，子類還會包含從父類繼承過來的欄位。
- 基本資料型別：
| Type | Bytes |
|---|---|
| byte，boolean | 1 |
| char，short | 2 |
| int，float | 4 |
| long，double | 8 |
- 引用資料型別：
開啟指標壓縮情況下佔8位元組，開啟指標壓縮後佔4位元組。
4.1 欄位重排序
給User類新增基本資料型別的屬性欄位：
public class User {
int id,age,weight;
byte sex;
long phone;
char local;
}
檢視記憶體佈局：
可以看到，在記憶體中，屬性的排列順序與在類中定義的順序不同，這是因為jvm會採用欄位重排序技術，對原始型別進行重新排序，以達到記憶體對齊的目的。具體規則遵循如下：
- 按照資料型別的長度大小，從大到小排列
- 具有相同長度的欄位，會被分配在相鄰位置
- 如果一個欄位的長度是L個位元組，那麼這個欄位的偏移量（
OFFSET）需要對齊至nL（n為整數）
上面的前兩條規則相對容易理解，這裡通過舉例對第3條進行解釋：
因為long型別佔8位元組，所以它的偏移量必定是8n，再加上前面物件頭佔12位元組，所以long型別變數的最小偏移量是16。通過列印物件記憶體佈局可以發現，當物件頭不是8位元組的整數倍時（只存在8n+4位元組情況），會按從大到小的順序，使用4、2、1位元組長度的屬性進行補位。為了和對齊填充進行區分，可以稱其為前置補位，如果在補位後仍然不滿足8位元組整數倍，會進行對齊填充。在存在前置補位的情況下，欄位的排序會打破上面的第一條規則。
因此在上面的記憶體佈局中，先使用4位元組的int進行前置補位，再按第一條規則從大到小順序進行排列。如果我們刪除3個int型別的欄位，再檢視記憶體佈局：
char和byte型別的變數被提到前面進行前置補位，並在long型別前進行了1位元組的對齊填充。
4.2 擁有父類情況
- 當一個類擁有父類時，整體遵循在父類中定義的變數出現在子類中定義的變數之前的原則
public class A {
int i1,i2;
long l1,l2;
char c1,c2;
}
public class B extends A{
boolean b1;
double d1,d2;
}
檢視記憶體結構：
- 如果父類需要後置補位的情況，可能會將子類中型別長度較短的變數提前，但是整體還是遵循子類在父類之後的原則
public class A {
int i1,i2;
long l1;
}
public class B extends A {
int i1,i2;
long l1;
}
檢視記憶體結構：
可以看到，子類中較短長度的變數被提前到父類後進行了後置補位。
- 父類的前置對齊填充會被子類繼承
public class A {
long l;
}
public class B extends A{
long l2;
int i1;
}
檢視記憶體結構：
當B類沒有繼承A類時，正好滿足8位元組對齊，不需要進行對齊填充。當B類繼承A類後，會繼承A類的前置補位填充，因此在B類的末尾也需要對齊填充。
4.3 引用資料型別
在上面的例子中，僅探討了基本資料型別的排序情況，那麼如果存在引用資料型別時，排序情況是怎樣的呢？在User類中新增引用型別：
public class User {
int id;
String firstName;
String lastName;
int age;
}
檢視記憶體佈局：
可以看到預設情況下，基本資料型別的變數排在引用資料型別前。這個順序可以在jvm啟動引數中進行修改：
-XX:FieldsAllocationStyle=0
重新執行，可以看到引用資料型別的排列順序被放在了前面：
對FieldsAllocationStyle的不同取值簡要說明：
-
0：先放入普通物件的引用指標，再放入基本資料型別變數
-
1：預設情況，表示先放入基本資料型別變數，再放入普通物件的引用指標
4.4 靜態變數
在上面的基礎上，在類中加入靜態變數：
public class User {
int id;
static byte local;
}
檢視記憶體佈局：
通過結果可以看到，靜態變數並不在物件的記憶體佈局中，它的大小是不計算在物件中的，因為靜態變數屬於類而不是屬於某一個物件的。
5、對齊填充位元組
在Hotspot的自動記憶體管理系統中，要求物件的起始地址必須是8位元組的整數倍，也就是說物件的大小必須滿足8位元組的整數倍。因此如果例項資料沒有對齊，那麼需要進行對齊補全空缺，補全的bit位僅起佔位符作用，不具有特殊含義。
在前面的例子中，我們已經對對齊填充有了充分的認識，下面再做一些補充：
- 在開啟指標壓縮的情況下，如果類中有
long/double型別的變數時，會在物件頭和例項資料間形成間隙（gap），為了節省空間，會預設把較短長度的變數放在前邊，這一功能可以通過jvm引數進行開啟或關閉：
# 開啟
-XX:+CompactFields
# 關閉
-XX:-CompactFields
測試關閉情況，可以看到較短長度的變數沒有前移填充：
- 在前面指標壓縮中，我們提到了可以改變對齊寬度，這也是通過修改下面的jvm引數配置實現的：
-XX:ObjectAlignmentInBytes
預設情況下對齊寬度為8，這個值可以修改為2~256以內2的整數冪，一般情況下都以8位元組對齊或16位元組對齊。測試修改為16位元組對齊：
上面的例子中，在調整為16位元組對齊的情況下，最後一行的屬性欄位只佔了6位元組，因此會新增10位元組進行對齊填充。當然普通情況下不建議修改對齊長度引數，如果對齊寬度過長，可能會導致記憶體空間的浪費。
6、總結
本文通過使用jol 對java物件進行測試，學習了物件記憶體佈局的基本知識。通過學習，能夠幫助我們：
- 掌握物件記憶體佈局，基於此基礎進行jvm引數調優
- 瞭解物件頭在
synchronize的鎖升級過程中的作用 - 熟悉 jvm 中物件的定址過程
- 通過計算物件大小，可以在評估業務量的基礎上在專案上線前預估需要使用多少記憶體，防止伺服器頻繁gc
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