深入理解 Java 虚拟机：对象在内存中的结构与对象的访问

拼搏现实的明天。 2023-03-13 15:18 37阅读 0赞

### 深入理解 Java 虚拟机：对象在内存中的结构与对象的访问 ###

*  对象的组成
 *   *  对象头
     *   *  标记字段（Mark Word）
         *  类型指针（Klass Pointer）
     *  实例数据
     *  对齐填充
 *  对象的访问
 *   *  句柄访问
     *  直接访问

# 对象的组成 #

对象在内存中存储的布局，可以分为三块区域：

*  `对象头`（head）
 *  `实例数据`（Instance Data）
 *  `对齐填充`（Padding）

PS：1 字节 = 8 bit  
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## 对象头 ##

对象头主要由两部分组成：`标记字段`，`类型指针`

### 标记字段（Mark Word） ###

**用于存储`运行时数据`：** `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。

**特点：** 会根据对象的状态，复用自己的存储空间。

**示例：** 在 32 位的 HotSpot 虚拟机中，对象未被锁定的状态下，Mark Word 的 32 个 Bits 空间中的25 Bits 用于存储对象哈希码（HashCode），4 Bits 用于存储对象分代年龄，2 Bits 用于存储锁标志 位，1 Bit 固定为 0，在其他状态（轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向）。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>存储内容</th> 
   <th>标志位</th> 
   <th>状态</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>对象哈希码、对象分代年龄</td> 
   <td>01</td> 
   <td>未锁定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>指向锁记录的指针</td> 
   <td>00</td> 
   <td>轻量级锁定</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>指向重量级锁的指针</td> 
   <td>10</td> 
   <td>膨胀（重量级锁定）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>空，不需要记录数据</td> 
   <td>11</td> 
   <td>GC 标记</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄</td> 
   <td>01</td> 
   <td>可偏向</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

PS：了解下存储的内容就好，至于具体什么位置存啥，反正我记不住。

### 类型指针（Klass Pointer） ###

**描述：** 对象指向它的类元数据的指针。

**作用：** `虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例（找到 Class 类信息）`。

**例子：** String str = new String();  
`new String()` 这个就是 `new` 出来的对象  
通过对象的`对象头`中的`类型指针`，能找到`方法区（即永久代，JDK8 在直接内存中）`中，`String` 这个类

**存在例外情况：** 并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息不一定要经过对象的本身。  
PS：有些虚拟机的实现是这个引用存储的是一个对象的句柄地址，句柄地址又包含了对象实例地址和对象类型地址。

**数组特例：** `对象头中还需要用于记录数组长度的数据`，因为虚拟机无法从数组的元数据中确定数组的大小。

## 实例数据 ##

**存储内容：** `对象真正存储的有效信息，就是真实数据，无论是父类继承的，还是子类定义的，都会被记录`

**存储顺序：** 存储顺序受虚拟机分配策略参数和字段在 Java 源码中定义顺序影响

**HotSpot 虚拟机默认分配策略：** longs/doubles，ints，shorts/chars，bytes/booleans，oops，`即相同宽度的字段总是被分配到一起。`在满足这个的前提下，`父类的字段会出现在子类之前。`如果 CompactFields 参数为 true（默认为 true），那么子类中教窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

## 对齐填充 ##

**作用：** 非必然存在，`仅起到占位符作用`。

**描述：** 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`。对象头正好是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的话，就需要通过对齐填充来补全。

# 对象的访问 #

在使用对象时，Java 程序会通过`栈上的 reference（对象引用） 数据来操作堆上的具体对象`。

**访问方式：** `句柄访问`，`直接访问`

**采用方式：** 取决于虚拟机实现而定

## 句柄访问 ##

使用`句柄访问`，`Java 堆中划分出一块内存作为句柄池`，reference 中存储的是`对象的句柄地址`，句柄中包含了对象的`实例数据与类型数据的具体地址（前面说的，类型指针的例外情况）`。

**优点：** `句柄地址是稳定的`，如果对象被移动（GC），只需`修改句柄中的实例数据指针`  
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## 直接访问 ##

使用`直接访问`，那么 Java 堆对象的布局上就必须考虑如何防止访问类型的相关信息，而 reference 中存储的是`对象地址`。

**优点：** `访问的速度快`，因为节省了指针对位的开销。`HotSpot` 采用的是 `直接访问`，原因是`对象的访问在 Java 中频率太高了`。  
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