Java 對象布局及其組成

目錄

• Java 對象布局及其組成
  • Java 對象組成
    • 對象頭
      • MarkWord
      • Klass 指針（元數據指針）
      • 數組長度
    • 實例數據
    • 對齊填充
  • Java 對象大小計算

在 hotspot 虛擬機中，對象在內存中布局可以被分為三部分：對象頭/實例數據/補位數據。下面一張圖是一個普通 java 對象和一個數組對象的結構組成：

Java 對象組成

Hotspt 采用了 OOP-Klass 模型。 它是描述 java 對象實例的模型，可分為兩部分：

• OOP （Ordinary Object Pointer）指的是普通對象指針，它包含 MarkWord 和Klass 指針。MarkWord 用於存儲當前對象運行時的一些狀態數據；Klass 指針則指向 Klass，用來告訴當前指針指向的對象是什么類型，即對象是使用哪個類創建出來的
• 之所以采用這種一分為二的對象模型，是因為 hotspot jvm 的設計者不想讓每個對象中都包含一個 virtual table （虛函數表）， 所以把對象模型拆成 klass 和 oop，其中 oop 不包含任何虛函數，而 klass 含有虛函數表，可以進行method dispatch

對象的模型如下：

volatile markOop _mark;  //標識運行時數據
union _metadata {
	Klass*      _klass;
	narrowKlass _compressed_klass;
} _metadata;  //klass指針

對象頭

對象頭主要有兩部分（數組對象有三組分）組成。 Markword, Klass 指針（數組對象的話，還有一個 length）。

MarkWord

標記字主要存儲對象運行時的一部分數據。主要內容有 hashcode，GC 分代年齡，鎖狀態標志位，線程鎖標記，偏向線程ID，偏向時間戳等。MarkWord 在32位和64位虛擬機上的大小分別位32bit 和 64bit，它的最后 2 bit 是鎖標志位，用來標記當前對象的狀態，具體如下：

狀態	標志位	存儲內容
未鎖定	01	對象哈希碼/對象分代年齡
輕量級鎖定	00	指向鎖記錄的指針
膨脹（重量級鎖定）	10	執行重量級鎖定的鎖指針
GC 標記	11	空（不需要記錄信息）
可偏向	01	偏向線程id, 偏向時間戳，對象分代年齡

32 位 vm 在不同狀態下 Markword 結構如下：

OBJECT HEADER		state
Mark word (32 bit)	Class Word(32 bits)
identity_hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2	OOP to metadata object	Normal
thread:23 | epoch:2 | age: 4 | biased_lock:1 | lock:2	OOP to metadata object	Biased
ptr_to_lock_record: 30 | lock:2	OOP to metadata object	Lightweight Locked
ptr_to_heavyweight_monitor: 30 | lock:2	OOP to metadata object	Heavyweight Locked
| lock:2	OOP to metadata object	Marked For GC

Klass 指針（元數據指針）

Klass 主要指向對象所屬的類信息（class metadata）。虛擬機使用它來確定當前對象屬於哪個類。klass 包含類的元數據信息，像類的方法，常量池等。你可以把它當作 java 里的 java.lang.Class 對象

數組長度

如果這個對象是數組類對象，那么如上圖右側所示，會在對象頭里額外的添加一個記錄數組長度的字段

實例數據

這部分主要存儲的是對象實際的數據

對齊填充

hotspot vm 的自動內存管理系統要求對象起始地址比必須位 8 字節的整數倍，即對象的大小必須是 8 字節的整數倍。而對象頭部分正好是 8 字節的整數倍，因此，當對象實例數據部分沒有對齊時，此時需要對齊填充來補齊

Java 對象大小計算

首先，對象頭大小的確定

• 在32位系統中，存放 Class 的指針空間大小為 4 字節，MarkWord 為 4 字節，即對象頭為 8 字節
• 在64 位系統中，存放 Class 指針的空間大小為 8 字節， MarkWord 為 8 字節，即對象頭大小為 8 字節
• 64 位系統下，如果開啟了指針壓縮，存放 Class指針的空間大小為 4 字節，MarkWord 為 8 字節，即對象頭為 12 字節
• 對於對象數據結構，參照上述三個規則，額外加上一個數組長度所含用的 4 個字節，就是最終對象頭的大小
• 計算對象的大小時，靜態數據是不會被考慮進去的

有很多中方法計算，這里我們使用 jol 進行計算
首先假設我們待計算的對象所屬的 Class 結構如下：

public class JOLSample_10_DataModels {

    /*
     * This example shows the differences between the data models.
     *
     * First layout is the actual VM layout, the remaining three
     * are simulations. You can see the reference sizes are different,
     * depending on VM bitness or mode. The header sizes are also
     * a bit different, see subsequent examples to understand why.
     */

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Layouter l;

        l = new CurrentLayouter();
        System.out.println("*****  " + l);
        System.out.println(ClassLayout.parseClass(A.class, l).toPrintable());

        l = new HotSpotLayouter(new X86_32_DataModel());
        System.out.println("***** " + l);
        System.out.println(ClassLayout.parseClass(A.class, l).toPrintable());

        l = new HotSpotLayouter(new X86_64_DataModel());
        System.out.println("***** " + l);
        System.out.println(ClassLayout.parseClass(A.class, l).toPrintable());

        l = new HotSpotLayouter(new X86_64_COOPS_DataModel());
        System.out.println("***** " + l);
        System.out.println(ClassLayout.parseClass(A.class, l).toPrintable());
    }

    public static class A {
        Object a;
        Object b;
    }

}

其在不同環境下的內存布局如下：

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參考：

1. java 的對象結構
2. JOLSample_10_DataModels