Java-对象到底占多少个字节?计算规则是什么?

小灰灰 2023-10-02 20:28 31阅读 0赞

### JAVA对象模型 ###

我们先了解一下，一个JAVA对象的存储结构。在Hotspot虚拟机中，对象在内存中的存储布局分为 3 块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。  
![在这里插入图片描述][036269182e5d4dccb98c4cfc7873f6c1.png]  
java 对象的大小默认是按照 8 字节对齐，也就是说 Java 对象的大小必须是 8 字节的倍数。若是算到最后不够 8 字节的话，那么就会进行对齐填充。  
那么为何非要进行 8 字节对齐呢？这样岂不是浪费了空间资源？

其实不然，由于 CPU 进行内存访问时，一次寻址的指针大小是 8 字节，正好也是 L1 缓存行的大小。如果不进行内存对齐，则可能出现跨缓存行的情况，这叫做 缓存行污染。

当然，也不是所有的指针都会压缩，一些特殊类型的指针JVM不会优化，比如指向PermGen的Class对象指针(JDK8中指向元空间的Class对象指针)、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和NULL指针等。

### 对象头（Header） ###

> 对象头，又包括三部分：Mark Word、(Klass Word)元数据指针、数组长度。

![在这里插入图片描述][e5fbd2ee9e9d4f7c8e89186cb229423e.png]

> **MarkWord：** 用于存储对象运行时的数据，比如HashCode、锁状态标志、GC分代年龄等。这部分在64位操作系统下，占8字节（64bit），在32位操作系统下，占4字节（32bit）。

**Mark Word布局：**

![在这里插入图片描述][fc34b623faad4015ac74ee85508f3b5d.png]

> **Klass Word：** 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。  
> 这部分就涉及到一个指针压缩的概念，在开启指针压缩的情况下，占4字节（32bit），未开启情况下，占8字节（64bit），现在JVM在1.6之后，在64位操作系统下都是默认开启的。

**数组长度：** 这部分只有是数组对象才有(int\[\])，如果是非数组对象，就没这部分了，这部分占4字节（32bit）。

### 内存对齐 ###

想要知道为什么虚拟机要进行对齐填充，我们需要了解什么是内存对齐？在开发人员眼中，我们看到的内存是这样的：  
![在这里插入图片描述][2b0dbc19eb244e8a86f9324638b20e28.png]  
上图表示一个坑一个萝卜的内存读取方式。但实际上 CPU 并不会以一个一个字节去读取和写入内存。相反， CPU 读取内存是一块一块读取的，块的大小可以为 2、4、6、8、16 字节等大小。块大小我们称其为内存访问粒度。如下图：  
![在这里插入图片描述][9f3606a9e9fb4b9382dd30edb1ef108d.png]  
假设一个32位平台的 CPU，那它就会以4字节为粒度去读取内存块。那为什么需要内存对齐呢？主要有两个原因：

> 平台（移植性）原因：不是所有的硬件平台都能够访问任意地址上的任意数据。例如：特定的硬件平台只允许在特定地址获取特定类型的数据，否则会导致异常情况。

> 性能原因：若访问未对齐的内存，将会导致 CPU 进行两次内存访问，并且要花费额外的时钟周期来处理对齐及运算。而本身就对齐的内存仅需要一次访问就可以完成读取动作。

下面用图例来说明 CPU 访问非内存对齐的过程：  
![在这里插入图片描述][e614a842795e423caf3cdd7d45f1fb69.png]

在上图中，假设CPU 是一次读取4字节，在这个连续的8字节的内存空间中，如果我的数据没有对齐，存储的内存块在地址1，2，3，4中，那CPU的读取就会需要进行两次读取，另外还有额外的计算操作：  
1、CPU 首次读取未对齐地址的第一个内存块，读取 0-3 字节。并移除不需要的字节 0。  
2、CPU 再次读取未对齐地址的第二个内存块，读取 4-7 字节。并移除不需要的字节 5、6、7 字节。  
3、合并 1-4 字节的数据。  
4、合并后放入寄存器。

所以，没有进行内存对齐就会导致CPU进行额外的读取操作，并且需要额外的计算。如果做了内存对齐，CPU可以直接从地址0开始读取，一次就读取到想要的数据，不需要进行额外读取操作和运算操作，节省了运行时间。我们用了空间换时间，这就是为什么我们需要内存对齐。

回到Java空对象填充了4个字节的问题，因为原字节头是12字节，64位机器下，内存对齐的话就是128位，也就是16字节，所以我们还需要填充4个字节。（64位机器一次读取8字节，因为64位下填充为8字节的整数倍，这里12字节，显然填充到16字节效果最佳。）

### 内存消耗演示 ###

<dependency>
                <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
                <artifactId>jol-core</artifactId>
                <version>0.9</version>
            </dependency>

#### 空对象(16byte) ####

public static class Dog {
        
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            Dog dog =new Dog();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
        }

![在这里插入图片描述][94bb455265374596afd8f31e1451419f.png]  
明明是12为啥变成16了, 这个就是使用了内存对齐了, 8的倍数

#### 基本数据类型(1~8byte) ####

public static class Dog {
        
            int a;
            long a1;
            double a2;
            char a3;
            float a4;
            boolean a5;
            short a6;
            byte a7;
        }
    
        public static void main(String[] args) {
        
            Dog dog =new Dog();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable());
        }

![在这里插入图片描述][75ef793093984eb986e01649547199bb.png]

#### 引用地址(4字节) ####

public static class Dog {
        
            Date a;
            String a1;
            Dog a2;
    
        }
        public static void main(String[] args) {
        
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintable());
        }

![在这里插入图片描述][339842dba76a439a9ae5038881d1967e.png]  
任何非基本类型的变量都存储的是对象的引用地址,而在java中地址是使用4字节存储的

#### 包装类型和String(16~24byte) ####

public static void main(String[] args) {
        
            Integer a=1;
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
            Long a1=12313123L;
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a1).toPrintable());
            Double a2=1.1;
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a2).toPrintable());
            Character a3='a';
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a3).toPrintable());
            Float a4=1.1F;
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a4).toPrintable());
            Boolean a5=true;
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a5).toPrintable());
            Short a6=1;
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a6).toPrintable());
            Byte a7=1;
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a7).toPrintable());
            String a8="xxxx";
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a8).toPrintable());
    
        }

java.lang.Integer object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
          4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4        (object header)                           67 22 00 f8 (01100111 00100010 00000000 11111000) (-134208921)
         12     4    int Integer.value                             1
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
    
    java.lang.Long object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
          4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4        (object header)                           ae 22 00 f8 (10101110 00100010 00000000 11111000) (-134208850)
         12     4        (alignment/padding gap)                  
         16     8   long Long.value                                12313123
    Instance size: 24 bytes
    Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total
    
    java.lang.Double object internals:
     OFFSET  SIZE     TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4          (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
          4     4          (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4          (object header)                           92 21 00 f8 (10010010 00100001 00000000 11111000) (-134209134)
         12     4          (alignment/padding gap)                  
         16     8   double Double.value                              1.1
    Instance size: 24 bytes
    Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total
    
    java.lang.Character object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
          4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4        (object header)                           c6 20 00 f8 (11000110 00100000 00000000 11111000) (-134209338)
         12     2   char Character.value                           a
         14     2        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 2 bytes external = 2 bytes total
    
    java.lang.Float object internals:
     OFFSET  SIZE    TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4         (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
          4     4         (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4         (object header)                           4b 21 00 f8 (01001011 00100001 00000000 11111000) (-134209205)
         12     4   float Float.value                               1.1
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
    
    java.lang.Boolean object internals:
     OFFSET  SIZE      TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4           (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
          4     4           (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4           (object header)                           85 20 00 f8 (10000101 00100000 00000000 11111000) (-134209403)
         12     1   boolean Boolean.value                             true
         13     3           (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total
    
    java.lang.Short object internals:
     OFFSET  SIZE    TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4         (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
          4     4         (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4         (object header)                           20 22 00 f8 (00100000 00100010 00000000 11111000) (-134208992)
         12     2   short Short.value                               1
         14     2         (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 2 bytes external = 2 bytes total
    
    java.lang.Byte object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
          4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4        (object header)                           d9 21 00 f8 (11011001 00100001 00000000 11111000) (-134209063)
         12     1   byte Byte.value                                1
         13     3        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total
    
    java.lang.String object internals:
     OFFSET  SIZE     TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4          (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
          4     4          (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4          (object header)                           da 02 00 f8 (11011010 00000010 00000000 11111000) (-134216998)
         12     4   char[] String.value                              [x, x, x, x]
         16     4      int String.hash                               0
         20     4          (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 24 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    
    Process finished with exit code 0

Byte,Short,Boolean,Float,Character,Integer= 16字节  
String,Double,Long=24字节

#### 基本类型数组(16byte) ####

public static void main(String[] args) {
        
            int[] a1=new int[0];
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a1).toPrintable());
        }

![在这里插入图片描述][cd46718f64274bacb0d312f4abe6601a.png]  
基本类型的数组会比空对象多一个4字节,用于存储长度, 数组长度每加1那么大小就加一个类型字节

public static void main(String[] args) {
        
            int[] a1=new int[10];
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a1).toPrintable());
        }

![在这里插入图片描述][f2763b8a3b654ca58deca3dcc2ce852c.png]

#### 容器(List Map Set)(16~48byte) ####

public static void main(String[] args) {
        
            List<Integer> a1=new ArrayList<>();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a1).toPrintable());
    
            Set<Integer> a2=new HashSet<>();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a2).toPrintable());
    
            Map<String,String> a3=new HashMap<>();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a3).toPrintable());
        }

![在这里插入图片描述][75aaf8cd879242ec803c0f70689d3b6b.png]  
List集合(24字节): 会比对象多2个intl类型用于计算长度和个数 ,内部属于存储在Object\[\]

Set集合(16字节): 内部数据存储在HashMap的key中

map集合(48字节): List集合大一倍 每一个项,key(24) ,value(24),因为多一个hash值

### 各种数组和容器的计算规则 ###

#### 基本类型计算 ####

就是类型对应的字节大小进行相加就行

#### 基本类型数组 ####

数组本身16+(长度\*类型字节)=最终占用内存大小

int[] a=new int[10];

`16+(10*4)`=56(字节)

#### 对象数组 ####

16+(长度\*4字节引用地址)+(长度\*每个对象内部的大小)=最终占用内存大小

Object[] o=new Object[10];

`16+(10*4)+(10*16)`=816(字节)

#### 集合 ####

和对象数组的计算方式一样  
List = 24+(长度\*4字节引用地址)+(长度\*每个对象内部的大小)=最终占用内存大小

List<Object> list = new ArrayList<>();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
                list.add(new Object());
            }

`24+(10*4)+(10*16)`=824(字节)

#### 计算对象 ####

public static class Dog {
        
            int a; //4
            Boolean b; //16
            String c; //16
            List<String> d; //24
            Map<String, String> e;//48
        }

12+4+4+4+4+4=36 (因为内存对齐的原因空对象才会是16)

然后我们给对象赋值

Dog dog = new Dog();
            dog.a= 1;  
            dog.b= true;
            dog.c= "xxxxx";
            dog.d= Arrays.asList("xxxxx","xxxxx");
            dog.e= new HashMap(){
        {
        put("a","a");put("b","b");put("c","c");}};

因为基本数据类型本身就是他的大小,在上面我们已经加进去了,我们只需要算引用类型对象的大小就行了  
`36+16+16+(24+2*16)+(48+2*(24+24))`=268字节

然后我们将对象放入到容器中

public static void main(String[] args) {
        
            ArrayList<Object> objects = new ArrayList<>();
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
                Dog dog = new Dog();
                dog.a= 1;
                dog.b= true;
                dog.c= "xxxxx";
                dog.d= Arrays.asList("xxxxx","xxxxx");
                dog.e= new HashMap(){
        {
        put("a","a");put("b","b");put("c","c");}};
                objects.add(dog);
            }
        }

`24+(4*10) + (10*268)`=2.744(kb)

假设有100万条数据那么  
`24+(4*1000000) +(1000000*268)`=272000024(字节)=272(mb)

### 总结 ###

学会计算java的内存会极大地降低内存溢出的风险,以及最大化利用内存来达到最好的效率 ,建议学一下[Java-垃圾收回机制][Java-] ,因为只会计算对象大小也不行的,还需要结合JVM虚拟机的GC机制和实际需求进行计算,假设你堆大小2G你在某一时间创建了2G的对象,那么会溢出吗? 可能会,也可能不会, 主要看这些对象在gc的时候能否被收回,那么如何知道这些对象满足了收回的条件,就要研究GC机制了…书山有路勤为径,学海无涯苦作舟

![在这里插入图片描述][241d60d901ab468c8532f2a2d4413093.gif]

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[Java-]: http://t.csdn.cn/2TkJW
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