【JUC进阶】03. Java对象头和内存布局

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1、前言

为了后面更好的学习锁优化以及运作过程,需要我们对HotSpot虚拟机的Java对象内存布局有一定的了解,也作为技术储备。

2、对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中,对象在堆内存中存储的布局可以划分为三个部分:对象头(Header)、实例数据(Instance Data)、对齐填充(Padding)。

而数组对象和普通对象的内存布局存在差异,数组对象相比之前多了数组长度部分。

【JUC进阶】03. Java对象头和内存布局

2.1、对象头(Header)

HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息:

  1. 标记字段(Mark Word)。用于存储对象自身的运行时数据,如HashCode(哈希码)、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。
  2. Class对象指针(Class Pointer)。对象指向它的类型元数据的指针,JVM通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

2.1.1、Mark Word

通常对象需要存储的运行时数据很多,实已经超出了32、64位Bitmap 结构所能记录的最大限度,但对象头里的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 被设计成一个有着动态定义的数据结构,以便在极小的空间内存储尽量多的数据,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,如对象未被同步锁锁定的状态下Mark Word的32bit存储空间中的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(表示未进入偏向模式)。对象除了未被锁定的正常状态外,还有轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向等几种状态。

【JUC进阶】03. Java对象头和内存布局

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【JUC进阶】03. Java对象头和内存布局

2.1.2、Class对象指针

对象头的另外一部分是类型指针,即对象指向它的类型元数据的指针,Java 虚拟机通过这个指针来确定该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。

此外,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,但是如果数组的长度是不确定的,将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。

以下从虚拟机标记布局简单说明:

32位JVM标记位布局:  
Address: 0x1000    
| Offset | Size | Description | Values |    
| :--: | :--: | :--: | :--: |    
| 0x0 | 8 bits | Mark Word | 1 bit: biased lock; 2 bits: lock state; 5 bits: heap word index |    
  
64位JVM标记位布局:  
Address: 0x1000    
| Offset | Size | Description | Values |    
| :--: | :--: | :--: | :--: |    
| 0x0 | 16 bits | Mark Word | 1 bit: biased lock; 2 bits: lock state; 13 bits: heap word index |

在标记位中:

  • biased lock 表示对象是否处于偏态锁(biased lock)状态,如果 biased lock 为真,则表示对象未被锁定,且偏向器(bias initiator)进程 ID 为真。
  • lock state 表示对象锁的状态,如果 lock state 为 0,则表示对象未被锁定;如果 lock state 为 1,则表示对象被一个线程锁定;如果 lock state 为 2,则表示对象被多个线程锁定。
  • heap word index 表示标记位在对象头中的位置,即对象头的前面有多少个字(heap word)才到达对象的内存地址。由于 JVM 使用复制算法(copying algorithm)来管理堆(heap),因此 heap word index 对于垃圾回收非常有用。

2.2、实例数据(Instance Data)

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,即我们在程序代码里面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字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(-XX:FieldsAllocationStyle 参数)和字段在Java 源码中定义顺序的影响。

HotSpot 虚拟机默认的分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops ( Ordinary Object Pointers,OOPs),从以上默认的分配策略中可以看到,相同宽度的字段总是被分配到一起存放,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HotSpot 虚拟机的+XX:CompactFields 参数值为 true(默认就为 true),那子类之中较窄的变量也允许插人父类变量的空隙之中,以节省出一点点空间。

2.3、对齐填充(Padding)

对象的第三部分是对齐填充,这并不是必然存在的,也没有特别的含义,它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot 虚拟机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,换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是 8字节的倍数(1倍或者2倍),因此,如果对象实例数据部分没有对齐的话,就需要通过对齐填充来补全文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-498948.html

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