Java对象的内存布局和访问定位详解

1 内存布局

在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:对象头( Header )、实例数据( Instance Data ) 和对齐填充( Padding )。

1.1 对象头

  HotSpot虚拟机的一般对象头包括两部分信息： “Mark Word”、 “Klass”，数组类对象还包括 “Array Length”。

1.1.1 Mark Word

  Mark Word用于存储对象自身的运行时数据, 如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等 ,这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32bit和64bit。
  对象需要存储的运行时数据很多,其实已经超出了32位、 64位BitMap结构所能记录的限度,但是对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本,考虑到虚拟机的空间效率, Mark Word被设计成一个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,它会根据对象的状态复用自己的存储空间。例如 ,在32位的HotSpot虚拟机中,如果对象处于未被锁定的状态下,那么Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码,4bit用于存储对象分代年龄,2bit用于存储锁标志位,1bit固定为0 ,而在其他状态(轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向)下对象的存储内容见下表：

存储内容	标识位	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
指向重量级所的指针	10	膨胀（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

1.1.2 Klass

  对象头的另外一部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针,换句话说,查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。
  这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机中分别为 32 bit 和 64 bit。

1.1.3 Array Length

  如果对象是一个Java数组 ,那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据,因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。
  这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机中分别为 32 bit 和 64 bit。

1.2 实例数据

  实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的,还是在子类中定义的,都需要记录起来。
  这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数( FieldsAllocationStyle ) 和字段在Java源码中定义顺序的影响。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、 oops ( Ordinary Object Pointers ) , 从分配策略中可以看出,相同宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件的情况下,在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true ( 默认为true ) ,那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

1.3 对齐填充

  对齐填充并不是必然存在的,也没有特别的含义,它仅仅起着占位符的作用。 由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍,换句话说, 就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数(1倍或者2倍 ), 因此 ,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

1.4 计算对象占用的空间

1. 在32位系统下，存放Class指针的空间大小是4字节，MarkWord是4字节，对象头为8字节。
2. 在64位系统下，存放Class指针的空间大小是8字节，MarkWord是8字节，对象头为16字节。
3. 在64位开启指针压缩的情况下 -XX:+UseCompressedOops，存放Class指针的空间大小是4字节，MarkWord是8字节，对象头为12字节。默认是开启指针压缩的。
4. 如果对象是数组，那么32位额外增加4个字节,64位额外增加8个字节。

类型	64位（bytes，无压缩）	64位（bytes，压缩）
boolean	1	1
byte	1	1
short	2	2
char	2	2
int	4	4
float	4	4
long	8	8
double	8	8
普通对象头	16	12
数组对象头	24	16
reference（引用类型）	8	4

计算对象本身占用大小和对象总空间占用大小的区别：

1. 本身占用大小，对象中除了基本类型之外，其他类型都按照引用来计算，不要计算引用中对象的大小。
2. 总空间占用大小，要计算对象中每一个对象的大小，引用中的对象也要计算，再累加获得总空间。

// 对象A： 对象头12B + 内部对象s引用 4B + 内部对象i 基础类型int 4B + 对齐 4B = 24B
// 内部对象s 对象头12B + 2个内部的int类型8B + 内部的char[]引用 4B + 对齐0B = 24B
// 内部对象str的内部对象char数组 对象头12B + 数组长度4B + 对齐0B = 16B
// 总： 对象A 24+ 内部对象s 24B + 内部对象s的内部对象char数组 16B =64B
class A {
  String s = new String();
  int i = 0;
}

// 对象B：对象头12B + 内部对象s引用 4B + 内部对象i 基础类型int 4B + 对齐 4B = 24B
// s没有被分配堆内存空间
// 总： 对象B 24B
class B {
  String s;
  int i = 0;
}

2 对象的访问定位

  建立对象是为了使用对象,我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置,所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

2.1 使用句柄

  如果使用句柄访问的话,那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息 ,如下图:

2.2 直接指针

  如果使用直接指针访问,那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而reference中存储的直接就是对象地址,此时类型数据的地址就保存在对向头部的klass中。

2.3 两种方式的对比

  这两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动(垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为)时只会改变句柄中的实例数据指针,而reference本身不需要修改。
  使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销, 由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。HotSpot虚拟机就使用直接指针方式进行对象访问的，但从整个软件开发的范围来看,各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。

参考
《深入理解Java虚拟机》