java对象结构 对象头 Markword

概述

对象实例由对象头、实例数据组成，其中对象头包括markword和类型指针，如果是数组，还包括数组长度;

| 类型 | 32位JVM | 64位JVM|
| ------ ---- | ------------| --------- |
| markword | 32bit | 64bit |
| 类型指针 | 32bit |64bit ，开启指针压缩时为32bit |
| 数组长度 | 32bit |32bit |

header.png

compressed_header.png

可以看到

• 开启指针压缩时，markword占用8bytes,类型指针占用8bytes，共占用16bytes;
• 未开启指针压缩时，markword占用8bytes,类型指针占用4bytes,但由于java内存地址按照8bytes对齐,长度必须是8的倍数，因此会从12bytes补全到16bytes;
• 数组长度为4bytes,同样会进行对齐，补足到8bytes;

另外从上面的截图可以看到，开启指针压缩之后，对象类型指针为0xf800c005,但实际的类型指针为0x7c0060028;那么指针是如何压缩的呢？实际上由于java地址一定是8的倍数，因此将0xf800c005*8即可得到实际的指针0x7c0060028,关于指针压缩的更多知识可参考官方文档。

markword结构

markword的结构，定义在markOop.hpp文件：

32 bits:
--------
hash: 25 ------------>| age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
JavaThread*: 23 epoch:2 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
size: 32 ------------------------------------------>| (CMS free block)
PromotedObject*: 29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)

64 bits:
--------
unused: 25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
JavaThread*: 54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
PromotedObject*: 61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
size: 64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)

unused: 25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
JavaThread*: 54 epoch:2 cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
narrowOop: 32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
unused: 21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)
[ ptr | 00] locked ptr points to real header on stack
[ header | 0 | 01] unlocked regular object header
[ ptr | 10] monitor inflated lock (header is wapped out)
[ptr | 11] marked used by markSweep to mark an object

由于目前基本都在使用64位JVM,此处不再对32位的结构进行详细说明:

偏向锁标识位	锁标识位	锁状态	存储内容
0	01	未锁定	hash code(31),年龄(4)
1	01	偏向锁	线程ID(54),时间戳(2),年龄(4)
无	00	轻量级锁	栈中锁记录的指针(64)
无	10	重量级锁	monitor的指针(64)
无	11	GC标记	空，不需要记录信息

此处，有几点要注意:

• 如果对象没有重写hashcode方法，那么默认是调用os::random产生hashcode,可以通过System.identityHashCode获取；os::random产生hashcode的规则为:next_rand = (16807seed) mod (2*31-1),因此可以使用31位存储;另外一旦生成了hashcode,JVM会将其记录在markword中；
• GC年龄采用4位bit存储，最大为15，例如MaxTenuringThreshold参数默认值就是15；
• 当处于轻量级锁、重量级锁时，记录的对象指针，根据JVM的说明，此时认为指针仍然是64位，最低两位假定为0;当处于偏向锁时，记录的为获得偏向锁的线程指针，该指针也是64位；

We assume that stack/thread pointers have the lowest two bits cleared.
ObjectMonitor* monitor() const {
assert(has_monitor(), "check");
// Use xor instead of &~ to provide one extra tag-bit check.
return (ObjectMonitor*) (value() ^ monitor_value);//monitor_value=2,value最右两位为10，因此异或之后最右两位为0
}
JavaThread* biased_locker() const {
assert(has_bias_pattern(), "should not call this otherwise");
return (JavaThread*) ((intptr_t) (mask_bits(value(), ~(biased_lock_mask_in_place | age_mask_in_place | epoch_mask_in_place))));
//~(biased_lock_mask_in_place | age_mask_in_place | epoch_mask_in_place)为11111111111111111111110010000000，计算后的结果中，低10位全部为0;
}

由于java中内存地址都是8的倍数，因此可以理解为最低3bit为0，因此假设轻量级和重量级锁的最低2位为0是成立的；但为什么偏向锁的最低10位都是0?查看markOop.hpp文件，发现有这么一句话:

// Alignment of JavaThread pointers encoded in object header required by biased locking
enum { biased_lock_alignment = 2 << (epoch_shift + epoch_bits)
//epoch_shift+epoch_bits＝10
};

thread.hpp中重载了operator new:

void* operator new(size_t size) { return allocate(size, true); }

// ======= Thread ========
// Support for forcing alignment of thread objects for biased locking
void* Thread::allocate(size_t size, bool throw_excpt, MEMFLAGS flags) {
if (UseBiasedLocking) {
const int alignment = markOopDesc::biased_lock_alignment;//10
size_t aligned_size = size + (alignment - sizeof(intptr_t));
void* real_malloc_addr = throw_excpt? AllocateHeap(aligned_size, flags, CURRENT_PC)
: os:: malloc(aligned_size, flags, CURRENT_PC);
void* aligned_addr = (void*) align_size_up((intptr_t) real_malloc_addr, alignment);
assert((( uintptr_t) aligned_addr + (uintptr_t) size) <=
(( uintptr_t) real_malloc_addr + (uintptr_t) aligned_size),
"JavaThread alignment code overflowed allocated storage");
if (TraceBiasedLocking) {
if (aligned_addr != real_malloc_addr)
tty->print_cr( "Aligned thread " INTPTR_FORMAT " to " INTPTR_FORMAT,
real_malloc_addr, aligned_addr);
}
((Thread*) aligned_addr)->_real_malloc_address = real_malloc_addr;
return aligned_addr;
} else {
return throw_excpt? AllocateHeap(size, flags, CURRENT_PC)
: os:: malloc(size, flags, CURRENT_PC);
}
}

如果开启了偏移锁,在创建线程时，线程地址会进行对齐处理，保证低10位为0

实例数据

实例数据中主要包括对象的各种成员变量，包括基本类型和引用类型；static类型的变量会放到java/lang/Class中，而不会放到实例数据中；
对于引用类型的成员(包括string)，存储的指针；对于基本类型，直接存储内容；通常会将基本类型存储在一起，引用类型存储在一起；
例如类Test的成员定义如下:

private static Test t1=new Test();
private Test t2;
private int a=5;
private Integer b=7;
private String c="112";
private BigDecimal d=new BigDecimal("5");
private long e=9l;

body.png

可以看到long e、int a为基本类型，存储在一起；其它的引用类型存储在一起；int占用4bytes,不足8bytes,自动补足到8bytes;

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