JAVA对象结构

超、凢脫俗 2023-01-20 13:59 65阅读 0赞

本文链接:https://blog.csdn.net/zqz_zqz/article/details/70246212

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

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

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;

  1. volatile markOop _mark; //标识运行时数据
  2. union _metadata {
  3. Klass* _klass;
  4. narrowKlass _compressed_klass;
  5. } _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

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:

  1. import java.lang.reflect.Field;
  2. import sun.misc.Contended;
  3. import sun.misc.Unsafe;
  4. public class TypeSequence {
  5. @Contended
  6. private boolean contended_boolean;
  7. private volatile byte a;
  8. private volatile boolean b;
  9. @Contended
  10. private int contended_short;
  11. private volatile char d;
  12. private volatile short c;
  13. private volatile int e;
  14. private volatile float f;
  15. @Contended
  16. private int contended_int;
  17. @Contended
  18. private double contended_double;
  19. private volatile double g;
  20. private volatile long h;
  21. public static Unsafe UNSAFE;
  22. static {
  23. try {
  24. @SuppressWarnings("ALL")
  25. Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
  26. theUnsafe.setAccessible(true);
  27. UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
  28. } catch (Exception e) {
  29. e.printStackTrace();
  30. }
  31. }
  32. public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, SecurityException{
  33. System.out.println("e:int \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("e")));
  34. System.out.println("g:double \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("g")));
  35. System.out.println("h:long \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("h")));
  36. System.out.println("f:float \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("f")));
  37. System.out.println("c:short \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("c")));
  38. System.out.println("d:char \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("d")));
  39. System.out.println("a:byte \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("a")));
  40. System.out.println("b:boolean\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("b")));
  41. System.out.println("contended_boolean:boolean\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_boolean")));
  42. System.out.println("contended_short:short\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_short")));
  43. System.out.println("contended_int:int\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_int")));
  44. System.out.println("contended_double:double\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_double")));
  45. }
  46. }
  47. 以上代码运行结果如下
  48. e:int 12
  49. g:double 16
  50. h:long 24
  51. f:float 32
  52. c:short 38
  53. d:char 36
  54. a:byte 40
  55. b:boolean 41
  56. contended_boolean:boolean 170
  57. contended_short:short 300
  58. contended_int:int 432
  59. 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。

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