JVM之压缩指针——Compressed oops

骑猪看日落 2021-05-12 11:55 550阅读 0赞

**1、32位 vs. 64位**

32位与64位的对比是在2000年以后兴起的。然而64位CPU早就在超级计算机领域中得到应用了，只是最近几年64位CPU才在PC上成为主流配置。从32位到64位的转变，绝对不是一件简单的工作，因为几乎所有的东西，从硬件到操作系统都必须要发生改变。Java也是在这个改革的趋势中引入了64位的虚拟机。

在32位到64位的转变中，人们最大的获益是内存容量。在一个32位的系统中，内存地址的宽度就是32位，这就意味着，我们最大能获取的内存空间是2^32（或者4 G）字节。这个容量明显不够用了！在一个64位的机器中，理论上，我们能获取到的内存容量是2^64字节，这是一个十分庞大的数字（ridiculously huge number）。可惜的是，这只是一个理论值，而现实中，因为有一堆有关硬件和软件的因素限制，我们能得到的内存要少得多。举个例了来说，Windows 7 Ultimate系统只能支持192GB的内存。可能许多人会说“192GB好大呀”，但是和2^64比起来，它真的挺小的，真的。好了，我们聊了半天，64位的重要性我们也知道了，那么接下来，我们就谈谈compressed oops能帮我们做什么。

“天下没有免费的午餐”。我们在64位机器中能获取极大的内存容量也是有花费的。一般来说，一个应用跑在64位机上会花费更多的内存。而且如果不是那种可以乎略不记的小程序的话，这种花费可是不能被忽略不记的哦！而Compressed oops是在64位环境中使用32位类指针（class pointer），这样就可以帮助我们节省一些内存空间，但是要保证内存不大于32GB。接下来，我们细说说一个对象在Java里是如何表示的。

**2、java中对象表示**

我们先用一个小例子来帮助我们理解对象（objects）在Java中是如何表示的。我们先给一个Integer对象赋一个值。当你写出下面的这句代码时：Integer i = new Integer(23);

编译器实际上要在堆中给这个对象分配比32位多得多的空间。Java中整形数的值是32位，但是每个对象都含有一些“头部”内容。而这些头部内容在不同的VM中是不同，在32位与64位虚拟机中也是不同的。在32位的虚拟机中，头部的每个“域”（field）的长度是一个字长（4字节）。而在64位虚拟机中，整形数的值域长还是32位，但是其他域的长度却增加到了8个字节（64位机中的一个字长）。如果你以为就这点差别的话，我就呵呵了！对象在内存中是要按字对齐的，也就是说，在64位机中，一个对象所占的内存要能被64整除。而我们要做文章主要的地方就是在Hotspot虚拟机中被称为“Klass”的类指针（class pointer）。从下图中，我们可以看到的是，在一个正常的64位虚拟机中klass的长度是8字节，但是启动compressed oops后，它就变成了4字节了。

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**3、什么是 OOP ?**

在堆中，32位的对象引用（指针）占4个字节，而64位的对象引用占8个字节。也就是说，64位的对象引用大小是32位的2倍。64位JVM在支持更大堆的同时，由于对象引用变大却带来了性能问题：

*  增加了GC开销：64位对象引用需要占用更多的堆空间，留给其他数据的空间将会减少，从而加快了GC的发生，更频繁的进行GC。
 *  降低CPU缓存命中率：64位对象引用增大了，CPU能缓存的oop将会更少，从而降低了CPU缓存的效率。

为了能够保持32位的性能，oop必须保留32位。那么，如何用32位oop来引用更大的堆内存呢？答案是——压缩指针（CompressedOops）。

OOP = “ordinary object pointer” 普通对象指针。 启用CompressOops后，会压缩的对象：

*  每个Class的属性指针（静态成员变量）
 *  每个对象的属性指针
 *  普通对象数组的每个元素指针

当然，压缩也不是万能的，针对一些特殊类型的指针，JVM是不会优化的。 比如指向PermGen的Class对象指针，本地变量，堆栈元素，入参，返回值，NULL指针不会被压缩。

1）CompressedOops原理：

64位地址分为堆的基地址+偏移量，当堆内存<32GB时候，在压缩过程中，把偏移量/8后保存到32位地址。在解压再把32位地址放大8倍，所以启用CompressedOops的条件是堆内存要在4GB\*8=32GB以内。

CompressedOops，可以让跑在64位平台下的JVM，不需要因为更宽的寻址，而付出Heap容量损失的代价。 不过它的实现方式是在机器码中植入压缩与解压指令，可能会给JVM增加额外的开销。

2）零基压缩优化(Zero Based Compressd Oops)

零基压缩是针对压解压动作的进一步优化。 它通过改变正常指针的随机地址分配特性，强制堆地址从零开始分配（需要OS支持），进一步提高了压解压效率。要启用零基压缩，你分配给JVM的内存大小必须控制在4G以上，32G以下。

3）总结：

*  如果GC堆大小在4G以下，直接砍掉高32位，避免了编码解码过程；
 *  如果GC堆大小在4G以上32G以下，则启用UseCompressedOop；
 *  如果GC堆大小大于32G，压指失效，使用原来的64位（所以说服务器内存太大不好......）。

注：

32位HotSpot VM是不支持UseCompressedOops参数的，只有64位HotSpot VM才支持。

Oracle JDK从6 update 23开始在64位系统上会默认开启压缩指针。

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