承前启后，Java对象内存布局和对象头

大家好，我是小高先生。在我之前的一篇文章《并发编程防御装-锁（基础版）》中，我简要介绍了锁的基础知识，并解释了为什么Java中的任何对象都可以作为锁。在那里，我提到了对象头中有一个指向ObjectMonitor的指针，但没有深入探讨Java对象的内存结构。本文将引导大家深入了解Java对象的内存布局以及对象头结构，帮助大家更好地理解Java中的对象和锁，并为之后学习synchronized和锁升级打下基础。

  • new Object()怎么理解？
  • JOL
  • GC分代年龄

new Object()怎么理解？

平时我们开发的时候经常要new一个对象，很少想过这个对象存在哪里以及这个对象是有什么构成的，所以关于new Object的理解可归于两点：

  1. 位置所在（where） 学过JVM的同学都应该知道JVM内存结构，我们new出来的对象就在堆区，大对象在老年代，小对象在新生代。

  2. 构成布局（what） 对象实例内存布局.jpg

1.对齐填充

先讲一下对齐填充，这个比较简单。HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象的起始地址必须是8字节的整数倍，也就是对象的大小是8字节的整数倍。对象头已经被设计成8字节的倍数，通常是1倍或2倍，如果实例数据大小不是8字节的整数倍，就需要用对齐填充添加一下，使对象大小为8字节的整数倍。

2.对象头

对象头是对象的另一个重要组成部分，它包含了一些关于对象的元信息。具体来说，对象头包括Mark Word和类元信息（类型指针）。

Mark Word

平时写代码的时候可能会通过hashcode()方法获取对象的哈希码，那哈希码保存在哪里呢？还有JVM中垃圾回收机制里说过，当一个对象在新生代经过15次Minor GC之后还存活下来就会进入老年代，那对象怎么记录GC次数呢？这些信息都记录在Mark Word中，先不需要都知道里面的标记代表什么，后续会讲到，这里只需要知道Mark Word存储了对象的一些重要信息。

存储内容 标志位 状态
对象哈希码、对象分代年龄 01 未锁定
指向锁记录的指针 00 轻量级锁定
指向重量级锁的指针 10 重量级锁定
空，不需要记录信息 11 GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄 01 可偏向

在64位系统中，Mark Word占8字节，类型指针占8字节，一共16字节。所以当我们new一个对象，还没有实例数据，那这个对象就是16字节。64为系统下，Mark Word就是64bit大小，存储结构如下：

Snipaste_2024-02-19_16-54-59.png

比如现在对象是无锁状态，那Mark Word前25bit不用，之后的31bit存hashCode，偏向锁标志位为1，锁标志位为01，其他锁状态会在相关文章中讲解。

Mark Word默认存储hashCode、分代年龄和锁标志位等相关信息，这些信息都是与对象自身定义无关的数据，会根据对象的状态复用自己的存储空间，运行期间数据会随着锁状态而改变。

类元信息（类型指针）

Phone ph = new Phone()，创建一个对象，会在JVM方法区存放对象的Klass类元信息，对象头的类型指针就是这个对象指向它的类元信息的指针，JVM通过类型指针确定这个对象是哪个类的实例，比如我创建Animal类，new Animal()实例的类型指针就会指向方法区中的Animal的Klass类元信息。由于Animal里面没有创建属性，所以Animal对象还没有实例数据，大小为16字节。

public class ObjectHeadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a = new Animal();
    }
}
class Animal{

}

我给大家百度了Klass类元信息具体是什么，因为一开始我也不懂。

Klass类元信息是JVM中表示类的元信息的数据结构

JVM中，每个Java类都对应一个Klass实例，是用C++编写的一个类，存储了Java类的所有元信息，包括属性、方法、修饰符等。Klass模型是JVM内部使用的一个概念，是Java类的内部表示。这个模型包含了类的所有信息，如类的完整名称、访问修饰符、父类、实现的接口、属性和方法等。这些信息在类加载的过程中被读取并存储到方法区。

这么看起来，Klass就想是这个类的模板。

3.实例数据

class Animal{
	int id;
    boolean flag = false;
}

如果创建了一个Animal对象，大小就是对象头（16字节）+ int（4字节）+ boolean（1字节）= 21字节，需要有对齐填充，21 + 3 = 24字节。

JOL

有关Java对象布局的理论知识已经学完了，那能不能从代码层面验证一下对象的结构呢。

JOL（Java Object Layout）是一个专门用于分析Java虚拟机（JVM）中对象内存布局的工具箱。它能够提供非常精确的关于对象如何分布在JVM内存中的信息。

1.先在POM文件中导入坐标

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.17</version>
</dependency>

2.通过指令查看JVM详细细节

public class JOLDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //VM的详细细节
        System.out.println(VM.current().details());
        //获取当前JVM实例的对象对齐方式
        System.out.println(VM.current().objectAlignment());
       
    }
}
class Customer{
    int id;
    boolean flag = false;
}

image.png

Object alignment指的是对象在内存中的对齐方式。8 bytes表示对象的大小必须是8的倍数，即对象的起始地址必须是8的整数倍。

我们创建一个Object类，看看这个类具体的结构是什么样的，通过ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable()来查看。

public class JOLDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
    }
}

对象结构.png

参数 作用
OFFSET 偏移量，也就是这个字段起始位置
SIZE 字节大小
TYPE Class中定义的类型
DESCRIPTION 类型描述
VALUE 是TYPE在内存中的值

我们这里会发现类型指针只占了4字节，之前说的是占8字节，这是为什么？这个我们稍后讨论。

另外一个细节会发现Instance size为16字节，因为对象头不够8的倍数，要补齐，也就是new一个对象默认大小为16字节。刚刚是创建了一个Object对象，现在再创建一个自己写的类看看结果，并且类中没有实例数据。结果表明自己写的类和Object类new出来的对象内存布局是一样的。

public class JOLDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        //System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
        
        Customer c = new Customer();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(c).toPrintable());
    }
}
class Customer{
	//只有对象头，没有实例数据
}

image.png

另外一种情况是类中有实例数据，看看结果，这次除了对象头以外多了实例数据，然后也是用对齐填充补到8的倍数。

public class JOLDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();
        //System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

        Customer c = new Customer();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(c).toPrintable());
    }
}
class Customer{
    int id;
    String name;
}

image.png

现在来研究研究为什么类型指针是4而不是8，这是因为压缩指针的影响。使用java -XX:+PrintCommandLineFlags -version指令，启动Java程序的时候把所有参数打印出来。-XX:+UseCompressedClassPointers这个参数就表示使用了压缩指针，默认开启，结果就导致类型指针是4字节。

image.png

试试不开启指针压缩是什么样，正常工作中是不会用到的，这里就是跟大家尝试一下，看看结果而已。

不开启指针压缩.png

image.png

GC分代年龄

GC年龄在Mark Word中用4bit存储，最大为15，也就是JVM参数-XX:MaxTenuringThreshold = 15。我们也可以验证一下，调整参数改成16试试，运行时是有异常的。

添加参数（1）.png

添加参数（2）.png

添加参数（3）.png

总结

本文和朋友们一起学习Java对象内存布局的知识，对象由对象头、实例数据和对齐填充组成。对象头包括Mark Word和类型指针，Mark Word记录一些对象的关键信息，主要包括锁的状态，类型指针是可以确定这个对象是哪个类的实例。JVM要求对象大小是8字节的整数倍，所以当对象头和实例数据大小不是8字节整数倍的时候，就需要对齐填充帮忙补齐。

东西不多但是挺重要的，可以更好地理解之前讲的synchronized底层分析，也可以对未来要学的锁升级做好准备。