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【Java对象】一览 Java 对象庐山真面目及指针压缩

Lorin洛林
Lorin洛林
技术
社区Java
  • hello，我是你们的老朋友 Lorin，在Java中有一句经典的话，万物皆可是对象，足以说明对象在Java中的重要性，但是大家有没有去了解过Java中的对象是怎么堆中是怎么存在的呢？今天我就带大家来一览Java对象的庐山真面目。
版本及工具介绍
  • JDK版本：JDK 8
  • Java 对象分析 Maven 插件
    <dependency>
        <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
        <artifactId>jol-core</artifactId>
        <version>0.17</version>
    </dependency>
Java 对象结构
  • 一个 Java 对象由三部分组成：对象头、实例数据、对齐数据，其中对象头分为 mark word 标记字和 class point 类元数据指针。

picture.image

  • jol-core 是 Java Object Layout（JOL）库的一部分，它是一个用于分析Java对象内存布局的工具。JOL 允许我们深入了解Java对象的内部结构，包括字段的偏移量、大小和布局，以及对象头的信息等。这对于性能优化和调试非常有用，特别是当我们需要了解对象在内存中的布局时。
  • 如何使用 jol-core 打印Java对象信息
public class Test {
    static final A MUTEX = new A();

    public static void main(String[] args) {
        // 打印 JVM 信息
        System.out.println(VM.current().details());
        
        // hashCode 懒加载，调用 hashCode() 方法时生成存储在对象头
        System.out.println(MUTEX.hashCode());
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(MUTEX).toPrintable());

        synchronized (MUTEX) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(MUTEX).toPrintable());
        }

        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(MUTEX).toPrintable());
    }
}

class A {
    int a = 2;
}

// 输出
# VM mode: 64 bits
# Compressed references (oops): 3-bit shift
# Compressed class pointers: 3-bit shift
# Object alignment: 8 bytes
#                       ref, bool, byte, char, shrt,  int,  flt,  lng,  dbl
# Field sizes:            4,    1,    1,    2,    2,    4,    4,    8,    8
# Array element sizes:    4,    1,    1,    2,    2,    4,    4,    8,    8
# Array base offsets:    16,   16,   16,   16,   16,   16,   16,   16,   16

1407343478 // 对象 hashCode

concurrency.A object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x00000053e25b7601 (hash: 0x53e25b76; age: 0)
  8   4        (object header: class)    0xf800c143
 12   4    int A.a                       2
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

// 64位JVM mark word 占用8字节
// 64位JVM class point 元数据指针占用4字节（正常应该占用8字节，这里开启了指针压缩）
// 实例数据 int字段占用4字节 
// 共计 16 字节 默认8字节对齐，不需要补齐

concurrency.A object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x00000096d75ff7e8 (thin lock: 0x00000096d75ff7e8)
  8   4        (object header: class)    0xf800c143
 12   4    int A.a                       2
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

concurrency.A object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x00000053e25b7601 (hash: 0x53e25b76; age: 0)
  8   4        (object header: class)    0xf800c143
 12   4    int A.a                       2
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

对象头

  • 对象头由 mark word 标记字和 class point 类元数据指针两部分组成。

mark word 标记字

  • mark word 记录了 Java 对象运行时的数据信息，如持有的锁、是否是偏向锁、锁持有线程、hashcode、分代年龄等等，32位JVM中占用4个字节，64位JVM中占用8个字节，具体字段如下所示：

picture.image

mark word 标记字解析

补充知识：
大端存储(Big-Endian)：数据的高字节存储在低地址中，数据的低字节存储在高地址中
小端存储(Little-Endian)：数据的高字节存储在高地址中，数据的低字节存储在低地址中

// 上文示例 Mark word 分析 JVM 64位
0x00000053e25b7601 (hash: 0x53e25b76; age: 0)

十六进制数: 0x00000053e25b7601
二进制数:   0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101 0011
           1110 0010 0101 1011 0111 0110 0000 0001

锁标记： 01 无锁
分代年龄：0000 age:0
hashCode: 101 0011 1110 0010 0101 1011 0111 0110 = hash: 0x53e25b76 = 十进制：1407343478

0x00000096d75ff7e8 (thin lock: 0x00000096d75ff7e8)

十六进制数: 0x00000096d75ff7e8
二进制数:   0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001 0110
           1101 0111 0101 1111 1111 0111 1110 1000

锁标记： 00 轻量级锁
指向线程堆栈Lock Record指针：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001 0110 1101 0111 0101 1111 1111 0111 1110 10

Lock Record

  • lock record 保存对象 mark word 的原始值，还包含识别哪个对象被锁的所必需的元数据。

class point 类元数据指针

  • class point 类元数据指针指向方法区的instanceKlass实例（虚拟机根据该指针确认对象是哪个类的实例），32位JVM中占用4个字节，64位JVM中占用8个字节或4个字节（指针压缩）。

实例数据

  • 存储对象的字段信息。（包括继承的字段）

对齐填充

  • Java 对象的大小默认8字节对齐，当大小不为8的倍数时，需要进行对齐填充，如：14字节需要填充为16字节。

为什么需要对齐填充

  • 对齐填充是一种以空间换时间的方案，可以提高内存的访问效率，本质是为了更加高效的利用缓存行。
示例：
CPU缓存行（Cache Line）是计算机处理器缓存的最小存储单位，一般来说，32 位系统一般为 4字节、64位系统一般为 8字节。

picture.image

  • 指针压缩技术也依赖 Java 对象字节对齐。
常见 Java 数据类型对象分析

ArrayList

java.util.ArrayList object internals:
OFF  SZ                 TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8                      (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   4                      (object header: class)    0xf8002f39
 12   4                  int AbstractList.modCount     3
 16   4                  int ArrayList.size            3
 20   4   java.lang.Object[] ArrayList.elementData     [(object), (object), (object), null, null, null, null, null, null, null, null, null, null, null, null, null]
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

Long

java.lang.Long object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   4        (object header: class)    0xf80022c0
 12   4        (alignment/padding gap)   
 16   8   long Long.value                1
Instance size: 24 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total

String

java.lang.String object internals:
OFF  SZ     TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8          (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   4          (object header: class)    0xf80002da
 12   4   char[] String.value              [S, t, r, i, n, g]
 16   4      int String.hash               0
 20   4          (object alignment gap)    
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

Byte

java.lang.Byte object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000005 (biasable; age: 0)
  8   4        (object header: class)    0xf80021eb
 12   1   byte Byte.value                1
 13   3        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total

Boolean

java.lang.Boolean object internals:
OFF  SZ      TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8           (object header: mark)     0x0000000000000005 (biasable; age: 0)
  8   4           (object header: class)    0xf8002097
 12   1   boolean Boolean.value             true
 13   3           (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total
其它

指针压缩

前置知识：32位操作系统为什么最多支持 4G 内存

  • 先看一张8字节的内存： picture.image
如果需要寻址上面的所有格子：那么我们需要 2^6 次方个地址，即 6位操作系统。

相同的算法我们计算32位的操作系统:
2^32 bit = 2^29 byte = 2^19 KB = 2^9 MB = 2^-1 GB = 0.5 GB

实际值为0.5G，但是为什么说32位 CPU 最多支持 4G 内存呢？

实际上CPU会把 8 bit（1Byte）当作一组，即最小的读取单元为 1 Byte, 因此 2^32 * 1 Byte = 4G

// 实际上，能够使用的内存大小由两方面决定硬件和操作系统，操作系统指的是虚拟地址层面，而硬件指的是地址总线。
// 其它参考：https://www.zhihu.com/question/22594254/answer/42967413

从32位操作系统到64位操作系统

  • 从上面我们知道32操作系统最多使用的内存为4G，随着我们开发的程序越来越复杂，32位操作系统已经不能满足我们的内存需求，我们进入了64操作系统的时代，我们可以使用的内存达到 4G * 2^32 ，但指针长度也达到了8个字节，过长的指针带来了新的问题：
1、增加了GC开销：64位对象引用需要占用更多的堆空间，留给其他数据的空间将会减少，从而加快了GC的发生，更频繁的进行GC。
2、降低缓存命中率：64位对象引用增大了，内存能缓存的oop将会更少，从而降低了缓存的效率。

指针压缩：使用4字节指针的同时获得更大的内存

如何开启指针压缩

-XX:+UseCompressedOops  // 对象指针压缩
-XX:+UseCompressedClassPointers // 类元数据指针压缩

// 如上示例中已开启
# Compressed references (oops): 3-bit shift
# Compressed class pointers: 3-bit shift

// 64 JVM class point 占用4个字节
concurrency.A object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x00000053e25b7601 (hash: 0x53e25b76; age: 0)
  8   4        (object header: class)    0xf800c143
 12   4    int A.a                       2
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

实现原理

// JVM 中 java对象默认8字节对齐 最大堆内存 32 GB(4G * 2^3)，超过 32 GB 指针压缩将失效
-XX:ObjectAlignmentInBytes

8字节对齐的情况下，地址的后三位总是为0：
  8 =    1000
 16 =   10000
 24 =   11000
 32 =  100000
 40 =  101000
 48 =  110000
 56 =  111000
 64 = 1000000
 72 = 1001000
 
 因此，在Java对象中存储时通过右移三位将3个0抹去，从内存中获取值时再通过将Java对象中的地址左移3位补0，从而实现使用4个字节获得 2^32 * 2^3 个内存地址，一个内存地址指向 1Byte 则总计32G内存
 （这也是为什么我们经常看到一些文章中说Java堆内存不要超过32G的原因，因为4字节指针，8字节对齐无法表示超过32内存，会关闭指针压缩，除非调整对齐字节数来扩大可访问的内存空间）。
 
 设置为16字节对齐：最大堆内存 64 GB(4G * 2^4)，超过 64 GB 指针压缩将失效
 16 =   10000
 32 =  100000
 48 =  110000
 64 = 1000000
思考

mark word 数据字段为什么是不固定动态变化的

  • 实现不增加对象的内存占用的情况下，支持对象锁并发和锁优化。

mark word 是字段动态变化的，当获取锁时 hash code 等字段被存储在哪

  • HotSpot VM 若为偏向锁则未获取 hash code，若已获取 hash code 则不会获取偏向锁而是直接获取轻量级锁（若为偏向级锁，然后获取 hash code 则会膨胀为重量级锁），轻量级锁时 hash code 存放在 Lock Record 中，重量级锁时 hash code 存放在 ObjectMonitor 对象上。
  • 注意：这里讨论的hash code都只针对identity hash code。用户自定义的hashCode()方法生成的 hash code 不会放在对象头。（Identity hash code是未被覆写的 java.lang.Object.hashCode() 或者 java.lang.System.identityHashCode(Object) 所返回的值。）
  • 参考大R回答：https://www.zhihu.com/question/52116998/answer/133400077
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