java中对象在内存中的结构

快来打我* 2022-12-03 08:59 155阅读 0赞

# 对象的结构 #

在JVM中，一般来说，Java对象都是分配在堆中，那么对象在堆中长什么样呢？

![在这里插入图片描述][20200902172058766.png_pic_center]

对象头包含以下几个部分：

*  MarkWord：包含对象的线程锁状态，另外还可以用来配合GC、存放该对象的hashCode、分代年龄等。
 *  Class Pointer：一个指向方法区中Class信息的指针，意味着该对象可随时知道自己是哪个Class的实例，默认开启压缩指针，占32位，关闭压缩，占64位。
 *  数组的长度：可选的，只有当对象是一个数组对象时才会有这个部分。
 *  对象的属性：占用内存空间取决于对象的属性数量和类型。
 *  对齐：为了保证对象头的字节数是8的倍数。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## MarkWord ##

MarkWord用来存储线程的锁状态、hashcode、分代年龄等信息，当对象处于不同状态时，MarkWord中的数据也跟随着对象的状态而变化。

以上是Java对象处于5种不同状态时，Mark Word中64个bit的表现形式，上面每一行代表对象处于某种状态时的样子。

注意以下几点：

*  偏向锁标志位+锁标志位共同表示当前对象锁的状态。
 *  分代年龄：在GC中，如果对象在Survivor区复制一次，年龄增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。默认情况下，并行GC（除了CMS垃圾收集器）的年龄阈值为15，并发GC（CMS垃圾收集器）的年龄阈值为6。由于分代年龄只有4位，所以最大值为15，这就是`-XX:MaxTenuringThreshold`参数最大值为15的原因。
 *  hashCode：31位的对象标识hashCode，采用延迟计算方式，只有在使用时才会计算，并会将结果写到该对象头中。如果对象在加锁前计算了hashcode，此时状态为无锁不可偏向，因为hashcode占用了偏向锁标志位的数据区域，这里的hashcode是指系统中最初始的hashcode，也就是调用基类Object.hashCode()方法产生的，而不是重写Object.hashCode()方法产生的hashcode，也可以使用System.identityHashCode(object)方法来获取。

项目中可以引入JOL(Java Object Layout)来打印java对象头在内存中的字节码。

<dependency>
    			<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    			<artifactId>jol-core</artifactId>
    			<version>0.10</version>
    		</dependency>

下面通过代码对上面的5中状态进行验证：

### 无锁不可偏向 ###

JVM刚启动时4s（默认值为4s，可以通过JVM参数`-XX:BiasedLockingStartupDelay`修改）之内创建的对象的锁状态为无锁不可偏向。

@Test
        public void testNoLockByBeforeFiveSecond() { 
            Object object = new Object();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        }

运行结果如下：

java.lang.Object 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)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

当一个对象计算了hashCode，锁的状态就会变成无锁不可偏向，因为hashcode占用了偏向锁标志位的数据区域。

@Test
        public void testNoLockByHashCode() throws InterruptedException { 
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5); // 参数是4s，这里用休眠5s
            Object object = new Object();
            System.out.println(Integer.toHexString(object.hashCode()));
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        }

运行结果如下：

5e8c92f4
    java.lang.Object object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4        (object header)                           01 f4 92 8c (00000001 11110100 10010010 10001100) (-1936526335)
          4     4        (object header)                           5e 00 00 00 (01011110 00000000 00000000 00000000) (94)
          8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

可以发现对象的hashcode为5e8c92f4，与对象头中的hashcode一致。

### 匿名偏向锁 ###

JVM启动4s后创建的对象锁的状态为匿名偏向锁。

public void testAnonymousBiasLock() throws InterruptedException { 
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5); // 或者设置JVM args：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
            Object object = new Object();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        }

运行结果如下：

java.lang.Object 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)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

### 偏向锁 ###

当没有发生资源的竞争，锁会偏向第一个持有锁的线程。

@Test
        public void testBiasLock() throws InterruptedException { 
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            Object object = new Object();
            synchronized (object) { 
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
            }
        }

运行结果如下：

java.lang.Object object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4        (object header)                           05 98 4e 00 (00000101 10011000 01001110 00000000) (5150725)
          4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

注意此时对象头中会存有一个线程ID，但是此ID不是java中thread对象getId()方法返回的id，也不是操作系统中ID，这个ID是JVM生成的，可以通过jstack命令查看线程的ID。

$ jstack 16344
    ....
    "main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000002239800 nid=0x4c18 in Object.wait() [0x000000000280e000]
       java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
            at java.lang.Object.wait(Native Method)
            - waiting on <0x000000076b605d30> (a java.lang.Thread)
            at java.lang.Thread.join(Thread.java:1252)
            - locked <0x000000076b605d30> (a java.lang.Thread)
            at java.lang.Thread.join(Thread.java:1326)
            at com.morris.concurrent.syn.upgrade.SynchronizedStatus.testBiasLock(SynchronizedStatus.java:74)
    ....

tid对应对象头中的线程id，而nid对应操作系统级别的线程id。

### 轻量级锁 ###

当对象头中的锁偏向于线程T1，T1释放锁后，其他线程来获取，此时偏向锁会升级为轻量级锁（线程之间交替执行，没有资源竞争）。

/** * 偏向锁 -> 轻量级锁 */
        @Test
        public void testLightLock() throws InterruptedException { 
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            Object object = new Object();
    
            Thread t = new Thread(() -> { 
                synchronized (object) { 
                }
            });
            t.start();
            t.join();
    
            synchronized (object) { 
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
            }
    
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        }

运行结果如下：

java.lang.Object object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4        (object header)                           f0 e0 7c 02 (11110000 11100000 01111100 00000010) (41738480)
          4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    java.lang.Object 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)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

当JVM刚启动或者使用JVM参数`-XX:-UseBiasedLocking=false`禁用了偏向锁，这时无锁不可偏向锁就会升级为轻量级锁。

@Test
        public void testLightLock2() throws InterruptedException { 
            Object object = new Object();
            synchronized (object) { 
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
            }
        }

运行结果如下：

java.lang.Object object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4        (object header)                           88 e5 7a 02 (10001000 11100101 01111010 00000010) (41608584)
          4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

注意轻量级锁释放后，对象头中锁的状态会变为无锁不可偏向。

### 重量级锁 ###

当产生了资源竞争，轻量级锁会升级为重量级锁。

@Test
        public void testHeavyLock() throws InterruptedException { 
            Object object = new Object();
    
            Thread t = new Thread(() -> { 
                synchronized (object) { 
                }
            });
            t.start();
    
            synchronized (object) { 
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
            }
        }

运行结果如下：

java.lang.Object object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0     4        (object header)                           fa c1 ec 1b (11111010 11000001 11101100 00011011) (468500986)
          4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
          8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

## Class Pointer ##

JVM通过这个指针确定对象是哪个类的实例,该指针的长度为JVM的一个字大小，即32位的JVM为32位，64位的JVM为64位。

如果应用的对象过多，使用64位的指针将浪费大量内存，统计而言，64位的JVM将会比32位的JVM多耗费50%的内存。为了节约内存可以使用选项`+UseCompressedOops`开启指针压缩，默认开启，其中，oop即ordinary object pointer普通对象指针。开启该选项后，下列指针将压缩至32位：

*  每个Class的属性指针（即静态变量）
 *  每个对象的属性指针（即对象变量）
 *  普通对象数组的每个元素指针

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。

问题：`Object object = new Object()`中object对象到底占用多少个字节？

答案：16个字节。

开启压缩指针：markword(64bit) + classpointer(32bit) + 对齐(32bit) = 16byte 。

不开启压缩指针：markword(64bit) + classpointer(64bit) = 16byte 。

[20200902172058766.png_pic_center]: /images/20221123/e8b2a06787c64dc8b79cb534ce06880b.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221123/56da05c5b7bd4e188567306adf857d09.png