JAVA对象结构

超、凢脫俗 2023-01-20 13:59 17阅读 0赞

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# 对象结构 #

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

下图是普通对象实例与数组对象实例的数据结构：

![这里写图片描述][SouthEast]

### 对象头 ###

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息：

**markword**  
第一部分markword,用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等，这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为“MarkWord”。

Mark Word 被设计成为一个非固定的数据结构，以便存储更多有效的数据，它会根据对象本身的状态复用自己的存储空间，也就是说，Mark Word会随着程序的运行发生变化，变化状态如下 (32位虚拟机)：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3p6dGlfZXJsaWU_size_16_color_FFFFFF_t_70]

64位虚拟机：

ava对象头其余信息基本不变，只是中间有关于对象hashcode值和之后加锁信息的位数加大以外，其他基本不变。  
64位虚拟机系统下java对象头在不同锁状态下的状态变化如下表所示：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmd5eTEzMA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**klass**  
对象头的另外一部分是klass类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例.  
数组长度（只有数组对象有）  
如果对象是一个数组, 那在对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度.

### 实例数据 ###

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。

### 对齐填充 ###

第三部分对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

### 对象大小计算 ###

要点  
1. 在32位系统下，存放Class指针的空间大小是4字节，MarkWord是4字节，对象头为8字节。  
2. 在64位系统下，存放Class指针的空间大小是8字节，MarkWord是8字节，对象头为16字节。  
3. 64位开启指针压缩的情况下，存放Class指针的空间大小是4字节，MarkWord是8字节，对象头为12字节。 数组长度4字节+数组对象头8字节(对象引用4字节（未开启指针压缩的64位为8字节）+数组markword为4字节（64位未开启指针压缩的为8字节）)+对齐4=16字节。  
4. 静态属性不算在对象大小内。

## 补充：   HotSpot对象模型 ##

HotSpot中采用了OOP-Klass模型，它是描述Java对象实例的模型，它分为两部分：

类被加载到内存时，就被封装成了klass，klass包含类的元数据信息，像类的方法、常量池这些信息都是存在klass里的，你可以认为它是java里面的java.lang.Class对象，记录了类的全部信息；  
OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通对象指针，它包含MarkWord 和元数据指针，MarkWord用来存储当前指针指向的对象运行时的一些状态数据；元数据指针则指向klass,用来告诉你当前指针指向的对象是什么类型，也就是使用哪个类来创建出来的；

那么为何要设计这样一个一分为二的对象模型呢？这是因为HotSopt JVM的设计者不想让每个对象中都含有一个vtable（虚函数表），所以就把对象模型拆成klass和oop，其中oop中不含有任何虚函数，而klass就含有虚函数表，可以进行method dispatch。  
HotSpot中，OOP-Klass实现的代码都在/hotspot/src/share/vm/oops/路径下，oop的实现为instanceOop 和 arrayOop，他们来描述对象头，其中arrayOop对象用于描述数组类型。

以下就是oop.hhp文件中oopDesc的源码，可以看到两个变量\_mark就是MarkWord，\_metadata就是元数据指针，指向klass对象，这个指针压缩的是32位，未压缩的是64位；

volatile markOop _mark;  //标识运行时数据
      union _metadata {
        Klass*      _klass;
        narrowKlass _compressed_klass;
      } _metadata;  //klass指针

一个Java对象在内存中的布局可以连续分成两部分：instanceOop（继承自oop.hpp）和实例数据；  
![这里写图片描述][70]

上图可以看到，通过栈帧中的对象引用reference找到Java堆中的对象，再通过对象的instanceOop中的元数据指针klass来找到方法区中的instanceKlass，从而确定该对象的类型。

下面来分析一下，执行new A()的时候，JVM 做了什么工作。首先，如果这个类没有被加载过，JVM就会进行类的加载，并在JVM内部创建一个instanceKlass对象表示这个类的运行时元数据（相当于Java层的Class对象）。初始化对象的时候（执行invokespecial A::），JVM就会创建一个instanceOopDesc对象表示这个对象的实例，然后进行Mark Word的填充，将元数据指针指向Klass对象，并填充实例变量。

元数据—— instanceKlass 对象会存在元空间（方法区），而对象实例—— instanceOopDesc 会存在Java堆。Java虚拟机栈中会存有这个对象实例的引用。

### 成员变量重排序 ###

为了提高性能，每个对象的起始地址都对齐于8字节，当封装对象的时候为了高效率，对象字段声明的顺序会被重排序成下列基于字节大小的顺序：

double (8字节) 和 long (8字节)  
int (4字节) 和 float (4字节)  
short (2字节) 和 char (2字节)：char在java中是2个字节。java采用unicode，2个字节（16位）来表示一个字符。  
boolean (1字节) 和 byte (1字节)  
reference引用 (4/8 字节)  
<子类字段重复上述顺序>  
子类字段重复上述顺序。

我们可以测试一下java对不同类型的重排序，使用jdk1.8，采用反射的方式先获取到unsafe类，然后获取到每个field在类里面的偏移地址，就能看出来了  
测试代码如下：

import java.lang.reflect.Field;
    
    import sun.misc.Contended;
    import sun.misc.Unsafe;
    
    public class TypeSequence {
    
    
        @Contended
        private boolean contended_boolean;
    
        private volatile byte a;
        private volatile boolean b;
    
        @Contended
        private int contended_short;
    
        private volatile char d;
        private volatile short c;
    
        private volatile int e;
        private volatile float f;
    
        @Contended
        private int contended_int;
    
        @Contended
        private double contended_double;
    
        private volatile double g;
        private volatile long h;
    
        public static  Unsafe UNSAFE;
    
        static {
                try {
                    @SuppressWarnings("ALL")
                    Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
                    theUnsafe.setAccessible(true);
                    UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
        }
    
        public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, SecurityException{
            System.out.println("e:int    \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("e")));
            System.out.println("g:double \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("g")));
            System.out.println("h:long   \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("h")));
            System.out.println("f:float  \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("f")));
            System.out.println("c:short  \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("c")));
            System.out.println("d:char   \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("d")));
            System.out.println("a:byte   \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("a")));
            System.out.println("b:boolean\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("b")));
    
    
            System.out.println("contended_boolean:boolean\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_boolean")));
            System.out.println("contended_short:short\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_short")));
            System.out.println("contended_int:int\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_int")));
            System.out.println("contended_double:double\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_double")));
        }
    
    }
    以上代码运行结果如下
    
    e:int       12
    g:double    16
    h:long      24
    f:float     32
    c:short     38
    d:char      36
    a:byte      40
    b:boolean   41
    contended_boolean:boolean   170
    contended_short:short   300
    contended_int:int   432
    contended_double:double 568

除了int字段跑到了前面来了，还有两个添加了contended注解的字段外，其它字段都是按照重排序的顺序，类型由最长到最短的顺序排序的；

### 对象头对成员变量排序的影响 ###

有的童鞋疑惑了，为啥int跑到前面来了呢？这是因为int字段被提升到前面填充对象头了，对象头有12个字节，会优先在字段中选择一个或多个能够将对象头填充为16个字节的field放到前面，如果填充不满，就加上padding，上面的例子加上一个4字节的int，正好是16字节，地址按8字节对齐；

### 扩展contended对成员变量排序的影响 ###

那么contended注解呢？这个注解是为了解决cpu缓存行伪共享问题的，cpu缓存伪共享是并发编程性能杀手，不知道什么是伪共享的可以查看我前面写的LongAdder类的源码解读 或者《java 中的锁 – 偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁》这篇文章都有讲到，加了contended注解的字段会按照声明的顺序放到末尾，contended注解如果是用在类的field上会在该field前面插入128字节的padding，如果是用在类上则会在类所有field的前后都加上128字节的padding。

[https_blog.csdn.net_zqz_zqz_article_details_70246212]: https://blog.csdn.net/zqz_zqz/article/details/70246212
[SouthEast]: /images/20221021/003736c8a4de45b9a04e842b79d9b842.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dhbmd5eTEzMA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221021/f13df33fe6db4e10a41682fbc203dd95.png
[70]: /images/20221021/b4844d08052e40898b04319c049b1a9c.png