JVM系列之:详解java object对象在heap中的结构

朱雀 2023-02-28 04:24 53阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  简介
 *  对象和其隐藏的秘密
 *  Object对象头
 *  数组对象头
 *  整个对象的结构

# 简介 #

在之前的文章中，我们介绍了使用JOL这一神器来解析java类或者java实例在内存中占用的空间地址。

今天，我们会更进一步，剖析一下在之前文章中没有讲解到的更深层次的细节。一起来看看吧。

# 对象和其隐藏的秘密 #

java.lang.Object大家应该都很熟悉了，Object是java中一切对象的鼻祖。

接下来我们来对这个java对象的鼻祖进行一个详细的解剖分析，从而理解JVM的深层次的秘密。

工具当然是使用JOL：

@Slf4j
    public class JolUsage { 
    
        @Test
        public void useJol(){ 
            log.info("{}", VM.current().details());
            log.info("{}", ClassLayout.parseClass(Object.class).toPrintable());
            log.info("{}", ClassLayout.parseInstance(new Object()).toPrintable());
        }
    }

代码很简单，我们打印JVM的信息，Object class和一个新的Object实例的信息。

看下输出：

[main] INFO com.flydean.JolUsage - # Running 64-bit HotSpot VM.
    # Using compressed oop with 3-bit shift.
    # Using compressed klass with 3-bit shift.
    # WARNING | Compressed references base/shifts are guessed by the experiment!
    # WARNING | Therefore, computed addresses are just guesses, and ARE NOT RELIABLE.
    # WARNING | Make sure to attach Serviceability Agent to get the reliable addresses.
    # Objects are 8 bytes aligned.
    # Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
    # Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
    
    10:27:32.311 [main] INFO com.flydean.JolUsage - java.lang.Object object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0    12        (object header)                           N/A
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
    
    10:27:32.312 [main] INFO com.flydean.JolUsage - 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)                           86 06 00 00 (10000110 00000110 00000000 00000000) (1670)
         12     4        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

从上面的结果我们知道，在64位的JVM中，一个Object实例是占用16个字节。

因为Object对象中并没有其他对象的引用，所以我们看到Object对象只有一个12字节的对象头。剩下的4个字节是填充位。

# Object对象头 #

那么这12字节的对象头是做什么用的呢？

如果想要深入了解这12字节的对象头，当然是要去研读一下JVM的源码：src/share/vm/oops/markOop.hpp。

有兴趣的小伙伴可以去看看。如果没有兴趣，没关系，这里给大家一个张总结的图：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70][]

javaObject对象的对象头大小根据你使用的是32位还是64位的虚拟机的不同，稍有变化。这里我们使用的是64位的虚拟机为例。

Object的对象头，分为两部分，第一部分是Mark Word，用来存储对象的运行时数据比如：hashcode，GC分代年龄，锁状态，持有锁信息，偏向锁的thread ID等等。

在64位的虚拟机中，Mark Word是64bits，如果是在32位的虚拟机中Mark Word是32bits。

第二部分就是Klass Word，Klass Word是一个类型指针，指向class的元数据，JVM通过Klass Word来判断该对象是哪个class的实例。

且慢！

有的小伙伴可能发现了问题，之前我们用JOL解析Object对象的时候，Object head大小是12字节，也就是96bits，这里怎么写的是128bits？

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 1][]

没错，如果没有开启COOPs就是128bits，如果开启了COOPs，那么Klass Word的大小就从64bits降到了32bits。

还记得我们之前讲的COOPs吗？

COOPs就是压缩对象指针技术。

对象指针用来指向一个对象，表示对该对象的引用。通常来说在64位机子上面，一个指针占用64位，也就是8个字节。而在32位机子上面，一个指针占用32位，也就是4个字节。

实时上，在应用程序中，这种对象的指针是非常非常多的，从而导致如果同样一个程序，在32位机子上面运行和在64位机子上面运行占用的内存是完全不同的。64位机子内存使用可能是32位机子的1.5倍。

而压缩对象指针，就是指把64位的指针压缩到32位。

怎么压缩呢？64位机子的对象地址仍然是64位的。压缩过的32位存的只是相对于heap base address的位移。

我们使用64位的heap base地址+ 32位的地址位移量，就得到了实际的64位heap地址。

对象指针压缩在Java SE 6u23 默认开启。在此之前，可以使用-XX:+UseCompressedOops来开启。

# 数组对象头 #

java中有一个非常特别的对象叫做数组，数组的对象头和Object有什么区别吗？

我们用JOL再看一次：

log.info("{}",ClassLayout.parseClass(byte[].class).toPrintable());
    
    log.info("{}",ClassLayout.parseInstance("www.flydean.com".getBytes()).toPrintable());

上面的例子中我们分别解析了byte数组的class和byte数组的实例：

10:27:32.396 [main] INFO com.flydean.JolUsage - [B object internals:
     OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
          0    16        (object header)                           N/A
         16     0   byte [B.<elements>                             N/A
    Instance size: 16 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
    
    10:27:32.404 [main] INFO com.flydean.JolUsage - [B 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)                           22 13 07 00 (00100010 00010011 00000111 00000000) (463650)
         12     4        (object header)                           0f 00 00 00 (00001111 00000000 00000000 00000000) (15)
         16    15   byte [B.<elements>                             N/A
         31     1        (loss due to the next object alignment)
    Instance size: 32 bytes
    Space losses: 0 bytes internal + 1 bytes external = 1 bytes total

看到区别了吗？我们发现数组的对象头是16字节，比普通对象的对象头多出了4个字节。这4个字节就是数组的长度。

# 整个对象的结构 #

好了，写到这里我们来总结一下，java对象的结构可以分为普通java对象和数组对象两种：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_0_text_aHR0cDovL3d3dy5mbHlkZWFuLmNvbQ_size_35_color_8F8F8F_t_70 2][]

数组对象在对象头中多了一个4字节的长度字段。

大家看到最后的字节是padding填充字节，为什么要填充呢？

因为JVM是以8字节为单位进行对其的，如果不是8字节的整数倍，则需要补全。

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