基本功：初探对象的内存布局

绝地灬酷狼 2022-01-29 11:19 202阅读 0赞

java中我们随处可见的都是对象，而对象成为我们与计算机内核交换的主要载体，使用起来也非常简单，然而一个对象是如何被JVM创建的却是极其的复杂，它要经历类加载机制、分片内存以及设置对象头的内存布局。

下面讲介绍下Hotspot JVM下新建对象需要基本过程。

### 前言-字节码 ###

new语句最会被编译而成的字节码，而它将包含用来请求内存指令。

public class ObjectSizeMain{
    	public static void main(String []args){
    		ObjectSizeMain obj=new ObjectSizeMain();
    	}
    	
    }

> C:\\Users\\Administrator\\Desktop>javap -v ObjectSizeMain.class 
> Classfile /C:/Users/Administrator/Desktop/ObjectSizeMain.class 
>   Last modified 2019-6-1; size 290 bytes 
>   MD5 checksum 1635999ab99de05314d8568fbaaf6900 
>   Compiled from "ObjectSizeMain.java" 
> public class ObjectSizeMain 
>   minor version: 0 
>   major version: 52 
>   flags: ACC\_PUBLIC, ACC\_SUPER 
> Constant pool: 
>    \#1 = Methodref          \#4.\#13         // java/lang/Object."<init>":()V 
>    \#2 = Class              \#14            // ObjectSizeMain 
>    \#3 = Methodref          \#2.\#13         // ObjectSizeMain."<init>":()V 
>    \#4 = Class              \#15            // java/lang/Object 
>    \#5 = Utf8               <init> 
>    \#6 = Utf8               ()V 
>    \#7 = Utf8               Code 
>    \#8 = Utf8               LineNumberTable 
>    \#9 = Utf8               main 
>   \#10 = Utf8               (\[Ljava/lang/String;)V 
>   \#11 = Utf8               SourceFile 
>   \#12 = Utf8               ObjectSizeMain.java 
>   \#13 = NameAndType        \#5:\#6          // "<init>":()V 
>   \#14 = Utf8               ObjectSizeMain 
>   \#15 = Utf8               java/lang/Object 
> \{ 
>   public ObjectSizeMain(); 
>     descriptor: ()V 
>     flags: ACC\_PUBLIC 
>     Code: 
>       stack=1, locals=1, args\_size=1 
>          0: aload\_0 
>          1: invokespecial \#1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V 
>          4: return 
>       LineNumberTable: 
>         line 1: 0
> 
>   public static void main(java.lang.String\[\]); 
>     descriptor: (\[Ljava/lang/String;)V 
>     flags: ACC\_PUBLIC, ACC\_STATIC 
>     Code: 
>       stack=2, locals=2, args\_size=1 
>          0: new           \#2                  // class ObjectSizeMain 
>          3: dup 
>          4: invokespecial \#3                  // Method "<init>":()V 
>          7: astore\_1 
>          8: return 
>       LineNumberTable: 
>         line 3: 0 
>         line 4: 8 
> \} 
> SourceFile: "ObjectSizeMain.java"

重点关注下红色部分内容，它透露了一些信息：

1.  new 指令，用来请求内存及用来调用构造器的 invokespecial 指令
2.  invokespecial指令，用于调用私有实例方法、构造器，以及使用super关键字调用父类的实例方法或构造器，和所实现接口的默认方法

关于字节码可以参阅《实战JAVA虚拟机  JVM故障诊断与性能优化》中class文件结构的章节

### **1. 类加载机制** ###

JVM首先检查一个new指令的参数是否能在常量池中定位到一个符号引用，并且检查该符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过（实际上就是在检查new的对象所属的类是否已经执行过类加载机制）。如果没有，先进行类加载机制加载类。可参阅[你忽略的ClassLoader][ClassLoader]。![ClassLoader][]

### **2. 分配堆内存** ###

简单理解为：确定对象内存大小并从Java堆中划分出来

*  在类加载完成后，一个对象所需的内存大小就可以完全确定了
 *  为对象分配空间，即把一块儿确定大小的内存从Java堆中划分出来

![20190601191633579.png][]

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0c29mdGNoZW5mZWk_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**内存分配两种方式**

Java堆内存是否规整，取决于GC收集器的算法是"标记-清除"，还是"标记-整理"（也称作"标记-压缩"），值得注意的是，复制算法内存也是规整的，然后选择对应的方式。

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>指针碰撞</td> 
 <td> 适用场合：堆内存规整（即没有内存碎片）的情况下 原理：用过的内存全部整合到一边，没有用过的内存放在另一边，中间有一个分界值指针，只需要向着没用过的内存方向将该指针移动对象内存大小位置即可 GC收集器：Serial、ParNew </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>空闲列表</td> 
 <td> 适用场合：堆内存不规整的情况下 原理：虚拟机会维护一个列表，该列表中会记录哪些内存块是可用的，在分配的时候，找一块儿足够大的内存块儿来划分给对象实例（这一块儿可以类比memcached的slab模型），最后更新列表记录。 GC收集器：CMS </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**内存分配并发问题**

堆内存是各个线程的共享区域，所以在操作堆内存的时候，需要处理并发问题。处理的方式有两种：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="width:168px;">CAS+失败重试</td> 
 <td style="width:681px;"> 做法与AtomicInteger的getAndSet(int newValue)方法的实现方式类似 public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { &nbsp; &nbsp; return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); } public final int getAndSet(int newValue) { &nbsp; &nbsp; for (;;) { &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; int current = get();// 获取当前值（旧值） &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; if (compareAndSet(current, newValue))// CAS新值替代旧值 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; return current;// 返回旧值 &nbsp; &nbsp; } } </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="width:168px;"> TLAB （Thread Local Allocation Buffer） </td> 
 <td style="width:681px;"> 原理：为每一个线程预先在Eden区分配一块儿内存，JVM在给线程中的对象分配内存时，首先在TLAB分配，当对象大于TLAB中的剩余内存或TLAB的内存已用尽时，再采用上述的CAS进行内存分配 -XX:+/-UseTLAB：是否使用TLAB -XX:TLABWasteTargetPercent：设置TLAB可占用的Eden区的比率，默认为1% -XX:PrintTLAB：查看TLAB的使用情况 JVM会根据以下三个条件来给每个线程分配合适大小的TLAB： 1.-XX:TLABWasteTargetPercent 2.线程数量 3.线程是否频繁分配对象 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

### **3. 初始化零值并设置对象头** ###

*  对象的实例字段不需要赋初始值也可以直接使用其默认零值
 *  每一种类型的对象都有不同的默认零值

**对象在内存中存储的布局分为三块**

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 对象头 </td> 
 <td style="width:660px;"> 存储对象自身的运行时数据：Mark Word（在32bit和64bit虚拟机上长度分别为32bit和64bit），包含如下信息： 
 <ul> 
 <li>对象hashCode</li> 
 <li>对象GC分代年龄，年龄大导致进入老生代</li> 
 <li>锁状态标志（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）</li> 
 <li>线程持有的锁（无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）</li> 
 <li>oops-类型指针，ordinary object pointers，普通对象指向类元数据的指针（32bit--&gt;32bit，64bit--&gt;64bit(未开启压缩指针)，32bit(开启压缩指针)）。JVM通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例（根据对象确定其Class的指针）</li> 
 </ul>-XX:+UseCompressedOops：JDK 8下默认为启用,启用对象的指针压缩，节约内存占用的大小 -XX:+CompactFields：JDK 8下默认为启用，分配一个非static的字段在前面字段缝隙中，提高内存的利用率 -XX:FieldsAllocationStyle=1：JDK 8下默认值为‘1’，实例对象中有效信息的存储顺序 
 <ul> 
 <li>0：先放入oops，然后在放入基本变量类型（顺序：longs/doubles、ints/floats、shorts/chars、bytes/booleans），如果longs/doubles都有按定义的顺序</li> 
 <li>1：先放入基本变量类型（顺序：longs/doubles、ints/floats、shorts/chars、bytes/booleans），然后放入oops</li> 
 <li>2：oops和基本变量类型交叉存储</li> 
 </ul>注：Mark Word具有非固定的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的信息。如果对象是一个数组，对象头必须有一块儿用于记录数组长度的数据。JVM可以通过Java对象的元数据确定对象长度，但是对于数组不行。 
 <blockquote> 
 一般对象头大小 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 32 位系统 &nbsp; 64 位系统(+UseCompressedOops) &nbsp; &nbsp;64 位系统(-UseCompressedOops) Mark Word&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; 4 bytes&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;8 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 8 bytes Class Pointer&nbsp;&nbsp;&nbsp;4 bytes&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;4 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 8 bytes 总计&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;8 bytes&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;12 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;16 bytes 
 数组对象对象头大小 &nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;32 位系统&nbsp;&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;64 位系统(+UseCompressedOops)&nbsp;&nbsp; &nbsp;64 位系统(-UseCompressedOops) Mark Word&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;4 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp;8 bytes&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;8 bytes Class Pointer&nbsp;&nbsp;4 bytes&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;4 bytes&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;8 bytes Length&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 4 bytes&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;4 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;2 bytes 总计&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 12 bytes&nbsp; &nbsp;16 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 20 bytes 
 基本数据类型（32/64位,不区分压缩） double&nbsp;&nbsp; &nbsp;8 bytes long&nbsp;&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;8 bytes float&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 4 bytes int&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;4 bytes char&nbsp;&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;2 bytes short&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;2 bytes byte&nbsp;&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;1 bytes boolean &nbsp;1 bytes oops&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;4 bytes 包装类型 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; +useCompressedOops&nbsp;&nbsp; &nbsp;-useCompressedOops Byte, Boolean&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;16 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;24 bytes Short, Character &nbsp;&nbsp; &nbsp;16 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 24 bytes Integer, Float&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 16 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 24 bytes Long, Double&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;24 bytes&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;24 bytes 
 </blockquote> 在java中对象的每个成员属性都有一个offset，通过UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset可以获得。但分配内存是有些差别，64位系统中CPU一次读操作可读取64bit（8 bytes）的数据，读取属性long不能读取2次(如果从对象头开始就会发生)，因此会打破存储顺序（FieldsAllocationStyle）。字段重排列技术指的是重新分配字段的先后顺序，以达到内存对齐的目的。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>实例数据</td> 
 <td style="width:660px;">对象真正存储的有效信息</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>对齐填充</td> 
 <td style="width:660px;">HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象大小必须是8字节的整数倍，对齐填充没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

### **4. 执行init** ###

为对象的字段赋值（这里会根据所写程序给实例赋值）

### 小刀牛试 ###

public class ObjectSize_test {
        /**
         * 启动参数中添加: -javaagent:D:\Program\repository\classmexer\classmexer\0.03\classmexer-0.03.jar
         */
        @Test
        public void showObjSize() {
            LongInstace v = new LongInstace();
            //24=12+8+2+2=对象头+long+byte+padding(2)，不压缩的话就是16+8+2...
            System.out.printf("shallow size:    %s.byte\n", MemoryUtil.memoryUsageOf(v));
            System.out.printf("retained size:   %s.byte\n", MemoryUtil.deepMemoryUsageOf(v));
    
            LongInstace2 v2 = new LongInstace2();
            //16=12+4=对象头+oops
            System.out.printf("shallow size:    %s.byte\n", MemoryUtil.memoryUsageOf(v2));
            //40=16+24=LongInstace2+Long
            System.out.printf("retained size:   %s.byte\n", MemoryUtil.deepMemoryUsageOf(v2));
    
            IntegerInstace1 v3 = new IntegerInstace1();
            //16=12+4=对象头+oops
            System.out.printf("shallow size:    %s.byte\n", MemoryUtil.memoryUsageOf(v3));
            //32=16+16=LongInstace3+Integer，有压缩
            System.out.printf("retained size:   %s.byte\n", MemoryUtil.deepMemoryUsageOf(v3));
    
            LongInstace[]vs=new LongInstace[2];
            vs[0]=v;
            System.out.printf("shallow size:    %s.byte\n", MemoryUtil.memoryUsageOf(vs));
            System.out.printf("retained size:   %s.byte\n", MemoryUtil.deepMemoryUsageOf(vs));
    
            System.out.printf("first item offset : %s,per item size: %s \n",UnsafeUtils.unsafe().arrayBaseOffset(vs.getClass()),UnsafeUtils.unsafe().arrayIndexScale(LongInstace[].class));
    
            ComplexInstance obj = new ComplexInstance();
            //48=12+1+2+2+4+4+8+8+padding(7)
            System.out.println("ComplexInstance:" + MemoryUtil.memoryUsageOf(obj));
        }
    
        @Test
        public void showLayout() throws NoSuchFieldException {
            /**
             * 无填充
             * 内存布局：对象头(12) + oops(4)
             */
            long offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(IntegerInstace1.class.getDeclaredField("value"));
            //12=对象头(12) 开始
            System.out.printf("IntegerInstace1.value(Integer):  %s \n", offset);
            /**
             * 有填充
             * 规则：64位系统中CPU一次读操作可读取64bit（8 bytes）的数据，读取属性long不能读取2次(如果从对象头开始就会发生)
             */
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(LongInstace1.class.getDeclaredField("value"));
            //16=对象头(12)+padding(4)
            System.out.printf("LongInstace1.value(long):    %s \n", offset);
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(LongInstace.class.getDeclaredField("value2"));
            //12=对象头(12)    -XX:+CompactFields生效
            System.out.printf("LongInstace.value2(byte):    %s \n", offset);
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(LongInstace.class.getDeclaredField("value3"));
            //13=对象头(12)+value2     -XX:+CompactFields生效
            System.out.printf("LongInstace.value3(char):    %s \n", offset);
            /**
             * 内部有多个成员变量时，布局按-XX:FieldsAllocationStyle=1（longs/doubles、ints/floats、shorts/chars、bytes/booleans）
             * double=24=对象头(12)+int(4)+long(8)，double和long是有变量定义的顺序决定的，不行你可以试试
             * 48=对象头(12)+int(4)+long(8)+double(8)+float(4)+char(2)+short(2)+boolean(1)+padding(7)
             */
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(ComplexInstance.class.getDeclaredField("bool"));
            System.out.printf("ComplexInstance.bool(boolean):   %s \n", offset);//40
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(ComplexInstance.class.getDeclaredField("cha"));
            System.out.printf("ComplexInstance.cha(char):   %s \n", offset);//36
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(ComplexInstance.class.getDeclaredField("sho"));
            System.out.printf("ComplexInstance.sho(short):   %s \n", offset);//38
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(ComplexInstance.class.getDeclaredField("in"));
            System.out.printf("ComplexInstance.in(int):   %s \n", offset);//12
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(ComplexInstance.class.getDeclaredField("flo"));
            System.out.printf("ComplexInstance.flo(float):   %s \n", offset);//32
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(ComplexInstance.class.getDeclaredField("lon"));
            System.out.printf("ComplexInstance.lon(long):   %s \n", offset);//16
            offset = UnsafeUtils.unsafe().objectFieldOffset(ComplexInstance.class.getDeclaredField("dou"));
            System.out.printf("ComplexInstance.dou(double):   %s \n", offset);//24
        }
    
        public final static class LongInstace {
            protected long value = 0L;
            byte value2;
            boolean value3;
        }
    
        public final static class LongInstace1 {
            protected long value = 0L;
        }
    
        public final static class LongInstace2 {
            Long value = 0L;
        }
    
        public final static class IntegerInstace1 {
            Integer value = 0;
        }
    
        public final static class ComplexInstance {
            boolean bool;
    
            char cha;
            short sho;
    
            int in;
            float flo;
    
            long lon;
            double dou;
        }
    }

### 参阅资料 ###

*  《HotSpot实战》
 *  《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（最新第二版）》
 *  《实战JAVA虚拟机  JVM故障诊断与性能优化》
 *  《分布式Java应用：基础与实践》

[ClassLoader]: /images/20220129/f72a0c12f10f403c888209ccd10894c7.png
[20190601191633579.png]: /images/20220129/1579b434c6aa4997875a3ab392f8e9de.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2l0c29mdGNoZW5mZWk_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220129/71d74f398c5f44e0bb6841495b7dd9cf.png