【JVM】对象的内存布局，怎样确定对象的大小

我会带着你远行 2023-03-13 06:36 5阅读 0赞

一个对象在内存中究竟是怎样进行布局的，如何依据代码去确定对象占据的大小，本文将进行粗略地探讨。

对象在内存中的布局，主要有3个组成部分，包括对象头，实例数据与对齐填充。确定对象的大小，也是从这3个组成部分的入手。

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## 对象头 ##

其中对象头中又包括Mark Word与Klass Word。**当该对象是一个数组时，对象头还会增加一块区域，用来保存数组的长度**。以64位系统为例，对象头存储内容如下图所示：

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
    |                                              Object Header (128 bits)                                         |
    |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
    |                        Mark Word (64 bits)                                     |      Klass Word (64 bits)    |       
    |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
    |  unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | lock:01 |     OOP to metadata object   |  无锁
    |----------------------------------------------------------------------|---------|------------------------------|
    |  thread:54 |         epoch:2      | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:01 |     OOP to metadata object   |  偏向锁
    |----------------------------------------------------------------------|---------|------------------------------|
    |                     ptr_to_lock_record:62                            | lock:00 |     OOP to metadata object   |  轻量锁
    |----------------------------------------------------------------------|---------|------------------------------|
    |                     ptr_to_heavyweight_monitor:62                    | lock:10 |     OOP to metadata object   |  重量锁
    |----------------------------------------------------------------------|---------|------------------------------|
    |                                                                      | lock:11 |     OOP to metadata object   |    GC
    |---------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

### Mark Word ###

该区域主要存储hashcode、gc年龄、锁标志等。在32位系统上，Mark Word为32位，在64位系统上，为64位，即8个字节。**Mark Word在不同的锁标志（lock）下，结构也不尽相同。**当然，lock相同时，比如lock=01，这时候需要借助偏向锁标记(biased\_lock)来具体确定对象是否存在偏向锁。

关于结合Mark Word讲锁的升级，可能要另外篇幅。不过，可以先看我的另外一篇文章[Synchronized的优化][Synchronized]，大致了解一下锁的优化。

### Klass Word ###

该区域存储对象的类型指针，该指正指向对象类元数据（类元数据都在方法区中，对方法区不熟悉的同学，可以先参考我的另外一篇文章[灵性一问——为什么用元空间替换永久代？][Link 1]），虚拟机能够通过这个指针，来确定该对象到底是哪个类的实例。在32位系统上，该区域占用32位，在64位系统上，占用64位，但是！**当64位机器设置最大堆内存为32G以下时，将会默认开启指针压缩，将8字节的指针压缩为4字节**。当然也可以使用+UseCompressedOops直接开启指针压缩。

### Array Length ###

前面说过，如果对象是一个数组，那么对象头会增加一个额外的区域，用来记录数组的长度。在32位系统上，该区域占用32位，在64位系统上，占用64位，同样的，如果开启指针压缩，则会压缩到32位。

可以看得出来，一个非数组的对象的对象头占用12个字节，即Mark Word(8)+Klass Word(4)。

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## 实例数据 ##

基本数据类型占用的长度如下：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 类型 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 占用字节长度 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> byte </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 1 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> short </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 2 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> int </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 4 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> long </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 8 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> float </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 4 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> double </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 8 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> char </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 2 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> boolean </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:213.05pt;"> 1 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

对于引用变量占用的长度，同样视系统位数而定。32位系统占用4字节，64位系统8字节，开启指针压缩那就占用4字节。

实例数据部分只会存放对象的实例数据，并不会存放静态数据。此外，子对象的实例数据部分会继承父类所有实例数据，包括私有类型，这里可以理解为子类拥有父类所有类型的成员变量，但在子类中无法直接访问这些私有实例变量。

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## 对齐填充 ##

这里的对齐填充有两方面：

（1）HotSpot虚拟机规定对象的起始地址必须是8的整数倍，也就是要求对象的大小必须是8的整数倍。因此如果一个对象的对象头+实例数据占用的总内存没有达到8的倍数时，会进行对齐填充，将总大小填充到最近的8的倍数上。

（2）字段与字段之前也需要对齐，字段对齐的最小单位是4个字节。

可以这样理解，虚拟机每次会为字段发放一个最近的4倍数的一个盒子。比如，有个类的字段有一个boolean和一个int，这时候先为boolean发放第一个大小为4字节的盒子，将boolean放入其中，占用1个字节，浪费3个字节，因为int占用4个字节，根本放不下，需要虚拟机再分配一个大小为4的盒子。

虚拟机不会按照字段声明的顺序去给字段分配盒子，而是会进行重排序，使得物尽其用。比如一个类有以下变量：char、int、boolean、byte。如果按照声明顺序去分配盒子的话，则需要为char分配一个盒子，浪费2个字节。再为int分配一个盒子，这个盒子正好满了，没有浪费。接着为boolean分配一个盒子，浪费3个字节。最后为byte分配一个盒子，又浪费3个字节。

在进行重排序后，此时可以按照int(4)、char(2)+boolean(1)+byte(1)的顺序，虚拟机可以只分配2个盒子，大大减少内存浪费。**但是引用类型的字段必定在最后才分配。**

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## 例子 ##

例子位于64位机器上，其都开启指针压缩。

（1）实例化一个没有任何属性的空对象，那么这个空对象占用的内存大小为多少呢？

很简单，对象头占用12字节，还会利用4字节进行填充，一共占用16字节。

（2）实例一个具有四个不同属性的对象

class Test {
        public char charP;
        public int intP;
        public boolean booleanP;
        public byte byteP;
    }

这就是对齐填充部分举的例子，对象头占用12字节，实例数据占用8字节，此时一共20字节，则对象填充需要占用4字节，一共占用24字节。

我们使用一个jol（Java Object Layout）工具来分析Test对象占据的内存大小。只要在maven项目中引入这个依赖就好：

<dependency>
 <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
 <artifactId>jol-core</artifactId>
 <version>0.8</version>
 </dependency>

然后在代码中这样调用：

package com.yang;
    
    import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
    
    public class Main {
        public static void main(String[] args) {
            Test test = new Test();
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(test).toPrintable());
        }
    }

输出如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

看的出来，总大小确实为24字节。

（3）实例化一个具有父类的子类

class Father {
        public boolean publicFlag;
        private boolean privateFlag;
        public static boolean staticFlag;
    }
    
    public class Test extends Father {
        public boolean publicFlag;
        private int b;
        protected double c;
        Long d;
    }

猜猜看，实例化一个Test对象后，这个对象占据的内存大小是多少呢？

这里可能会有几个问题：

【1】子类的实例数据部分会排除掉父类的私有实例属性privateFlag吗？

【2】子类的实例数据部分会覆盖掉父类的同名实例属性吗？

带着这些疑问，我们直接使用jol查看对象内存大小：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

可以看到，子类对象中包含了父类所有的实例变量，且首先分配父类实例变量，再分配子类实例变量。对象头还是占用12字节，父类实例变量占用4字节（包括2个字节的字段填充），子类实例变量占用20字节，对象填充占用4字节，一共占用40字节。

[Synchronized]: https://blog.csdn.net/qq_33591903/article/details/105488421
[Link 1]: https://blog.csdn.net/qq_33591903/article/details/105634782
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230312/7d0629df4e8b427d8e9891851a511039.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzMzNTkxOTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20230312/fe1080a669a146e5809f1005eaf0e1e6.png