聊一聊JVM中对象的内存布局

雷渊
126 阅读5分钟

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Java对象内存布局深度解析

一、对象内存布局概览

Java对象在堆内存中的存储结构分为三个核心部分：

  1. 对象头（Header）
  2. 实例数据（Instance Data）
  3. 对齐填充（Padding）

以下为内存布局示意图：

|-------------------------|
|      对象头 (Header)      |
|-------------------------|
|  实例数据 (Instance Data) |
|-------------------------|
|   对齐填充 (Padding)      |
|-------------------------|

二、对象头（Header）

对象头包含两类信息：Mark Word 和 类型指针。
对于数组对象，对象头额外包含 数组长度字段。

1. Mark Word
  • 作用：存储对象的运行时元数据，如哈希码、锁状态、GC分代年龄等。
  • 长度：64位系统下为 8字节（启用压缩指针时为 4字节）。
  • 内容动态变化：不同锁状态下，Mark Word的布局不同。
Mark Word在不同锁状态下的结构
|-------------------------------------------------------------|
| 锁状态        | 存储内容                                      |
|--------------|---------------------------------------------|
| 无锁          | 哈希码（25位） | 分代年龄（4位） | 偏向锁标志（0） | 锁标志（01） |
| 偏向锁        | 线程ID（54位） | 时间戳（2位）   | 分代年龄（4位） | 锁标志（01） |
| 轻量级锁      | 指向栈中锁记录的指针（62位）                   | 锁标志（00） |
| 重量级锁      | 指向互斥量（Monitor）的指针（62位）            | 锁标志（10） |
| GC标记        | 空（未使用）                                  | 锁标志（11） |
|-------------------------------------------------------------|
2. 类型指针（Class Pointer）
  • 作用：指向方法区中的类元数据（即 Class 对象），用于确定对象类型。
  • 长度：
    • 未启用压缩指针：8字节（64位系统）。
    • 启用压缩指针（-XX:+UseCompressedOops）：4字节。
3. 数组长度（仅数组对象）
  • 长度：4字节（32位系统）或 8字节（64位系统，未启用压缩指针）。
  • 示例： 
    int[] arr = new int[10];  // 对象头包含数组长度字段（值为10）

三、实例数据（Instance Data）

  • 作用：存储对象的所有字段值（包括继承自父类的字段）。
  • 排列规则：
    • 字段宽度对齐：相同宽度的字段分配在一起（如 long 和 double 优先分配）。
    • 父类字段在前：父类定义的字段出现在子类字段之前。
示例：字段排列顺序
class Parent {
    int a;    // 4字节
    long b;   // 8字节
}

class Child extends Parent {
    int c;    // 4字节
    double d; // 8字节
}

// 内存布局：Parent.a → Parent.b → Child.c → Child.d

四、对齐填充（Padding）

  • 作用：确保对象总大小为 8字节的整数倍（HotSpot VM的内存对齐要求）。
  • 触发条件：对象头 + 实例数据的总长度不是8的倍数时自动填充。
  • 备注：这部分不一定存在，也没有什么特别的含义，仅仅是占位符，因为hotSpot要求对象起始地址都是8字节的整数倍，如果不是就对齐
示例：对齐填充计算

假设对象头12字节（Mark Word 8 + 类型指针4），实例数据17字节：
总长度 = 12 + 17 = 29 → 对齐后为32字节（填充3字节）。

五、内存布局优化技术

1. 压缩指针（Compressed OOPs）
  • 作用：将64位类型指针压缩为32位（节省内存）。
  • 条件：堆内存 ≤ 32GB（-Xmx32g）。
  • 启用参数：-XX:+UseCompressedOops（默认开启）。
# 未启用压缩指针（64位）
对象头：Mark Word（8） + 类型指针（8） = 16字节

# 启用压缩指针（32位类型指针）
对象头：Mark Word（8） + 类型指针（4） = 12字节
2. 字段重排序（Field Reordering）
  • 作用：通过调整字段顺序减少内存填充，优化空间利用率。
  • 手动优化示例： 
    // 原始定义（填充4字节）
class MyClass {
    byte a;     // 1
    int b;      // 4 → 需要3字节填充
    byte c;     // 1
} // 总大小 = 1 + 4 + 1 + 3（填充） = 9 → 对齐到16字节

// 优化后（无填充）
class MyClassOptimized {
    int b;      // 4
    byte a;     // 1
    byte c;     // 1
} // 总大小 = 4 + 1 + 1 + 2（填充） = 8 → 对齐到8字节

六、查看对象内存布局的工具

1. JOL（Java Object Layout）
  • 作用：分析对象内存布局的工具库。
  • 使用步骤：
    1. 添加依赖： 
      <dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.16</version>
</dependency>
    2. 打印对象布局： 
      public class JOLDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }
}
2. 输出示例
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   4        (object header: class)    0xf80001e5
 12   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes

七、总结

组件内容优化技巧
对象头Mark Word + 类型指针（+ 数组长度）启用压缩指针减少类型指针大小
实例数据对象字段值（按宽度和继承顺序排列）手动调整字段顺序减少填充
对齐填充补齐至8字节倍数尽量让对象总大小为8的倍数以减少填充

关键点：

  • 对象头是元数据存储的核心，Mark Word在不同锁状态下动态变化。
  • 实例数据的排列影响内存利用率，字段重排序可优化空间。
  • 对齐填充是内存对齐的必然结果，合理设计对象结构可减少填充开销。

通过工具（如JOL）分析对象布局，结合JVM参数调优（如压缩指针），可以显著提升内存使用效率。

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