JVM字节对齐和字段重排

Bertha 。 2022-12-04 08:44 116阅读 0赞

**目录**

字节对齐

struct示例

内存布局

优化结构体内存空间

Java字节对齐

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上一篇日志最后说到，非静态类型变量经过起始偏移量和5中类型偏移量计算后，在统计总的内存空间大小前，需要进行内存对齐补白操作，这样做的原因是性能带来了提升，上一篇举过例子，对于进行了补白对齐的数据，CPU进行访问可能只需要一个周期即可，反过来如果内存起始地址并不是数据字节的倍数，那么可能读取某一数据时需要分两步到三步，将不同内存地址的数据读取出来后，去除头和尾多余的字节拼凑出目标地址的结果出来。总的来说，如果内存起始地址是x字节长度的倍数，那么说明该x字节是内存对齐的，32位操作系统下例如int变量类型长度为4个字节，那么规则也是按4的倍数来对齐。

## 字节对齐 ##

如果变量数据的内存起始地址是字节对齐的，那么对该数据的读取就是高效安全的，因为不需要分多个周期进行读取，拼凑。对于Java和C、C++、C\#这类高级语言，因为编译器的存在，编译器或虚拟机会自动帮我们进行字节对齐补白，来看一个例子。

### struct示例 ###

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上面的程序中先是声明了两个结构体A和B，它们里面都有三个变量，int i、char c和short s，在32位系统下int型的i变量大小为4个字节，char型变量c大小1字节，short型变量大小为2字节，虽然结构体A和B中三个变量都相同，但是声明顺序不同，在输出两个结构体的大小后我们可以发现，它们的大小也并不相同：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

可以看到，先声明了int i再声明char c的结构体A大小为8个字节，而先声明char c再声明int i的结构体B大小去到了12个字节，表面上看两个结构体的大小应该是三个变量的大小相加4+1+2等于7，实际却没有一个符合，原因就是编译器对变量进行了内存对齐补白，且这种对齐操作受变量声明顺序影响。

### 内存布局 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

首先来看struct A，声明变量的顺序是int i到char c再到short s，为结构体分配内存空间时，首先分配4字节给int i，假设此时变量i的起始地址为4的整数倍4x，接着分配1字节大小给char c，因为char类型大小为1字节，地址可以从任何位置开始，不用进行内存对齐，则变量c的地址位4（x+1）。最后到为short s变量分配内存空间，short类型变量大小为2字节，如果直接跟在char变量c后面，那么它的起始地址就是4（x+1）+1，这样起始地址结果并不能被2整除，所以编译器会进行内存对齐，让它符合2字节对齐的要求，具体的做法就是在变量c后面往后移动一个字节，再存放变量s，c和s之间多出来的一个字节就是补白字节，因此最终struct A的大小就是4+1+1+2等于8。

再来看结构体B：

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结构体B中首先为char型变量c分配内存大小1字节，此时它的起始地址设为4x，没错起始地址就是4的倍数，因为编译器不光会对数据类型进行内存对齐操作，对栈和堆的内存地址也会进行对齐操作。接着下一个变量int i，因为需要符合4字节对齐，下一个起始地址应该是4x+4的位置，所以c变量往后移动3字节进行补白，得到的位置4x+4能够被4整除，同理最后一个变量s也是相对于变量i往后移动4个字节，起始地址是4x+4+4，最后structB总的内存大小为1+3+4+4等于12字节。

### 优化结构体内存空间 ###

从上面两个例子可以看到，包含相同变量的两个结构体，由于声明变量的顺序不同，最后为结构体申请的内存大小也不同。虽然编译器会帮我们进行内存对齐，但它也仅仅是按顺序为我们每一个变量做补白操作，如果声明变量的顺序不好，最后需要申请很大的内存空间来存储。再举个例子，假设我们声明的结构体如下：

struct A {
    
          char c_1;
    
          int i_1;
    
    
          char c_2;
    
          int i_2;
    
    };

由于每次为char变量分配1字节空间后，下一个变量int类型需要进行对齐补白，所以编译器会自动填充3个字节，最后整个结构体需要的内存大小为1+3+4+1+3+4等于16字节。想要优化内存空间的大小，我们可以手动进行字段重拍，因为我们知道编译器填充的逻辑，只要改变一下变量的声明顺序，就可以避免一些不必要的补白操作：

struct A {
    
          char c_1;
    
          char c_2;
    
    
          int i_1;
    
          int i_2;
    
    };

就像这样，如果我们在声明变量时，按照类型的大小从小到大顺序，那么可以减少一些补白空间，上面这个字段重拍后的结构体最后需要的内存空间为1+1+3+4+4+3等于16字节。

## Java字节对齐 ##

JVM对其内部5中静态类型变量，oop、double、word、short和byte都有内存对齐的规则，oop引用类型按4字节对齐；double按8字节对齐；word按4字节；short按2字节，最后byte类型按1字节对齐。字节对齐自然就是确保内存地址能够被其类型字节宽度所整除，JVM为了优化内存空间利用率，采用了上述的字段重拍方式，将相同类型的字段组合在一起，减少一些补白操作，提升了整个空间利用率。

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