今天來講些抽象的東西 -- 對象頭,因為我在學(xué)習(xí)的過程中發(fā)現(xiàn)很多地方都關(guān)聯(lián)到了對象頭的知識點,例如JDK中的 synchronized鎖優(yōu)化 和 JVM 中對象年齡升級等等。要深入理解這些知識的原理,了解對象頭的概念很有必要,而且可以為后面分享 synchronized 原理和 JVM 知識的時候做準(zhǔn)備。
對象內(nèi)存構(gòu)成
Java 中通過 new 關(guān)鍵字創(chuàng)建一個類的實例對象,對象存于內(nèi)存的堆中并給其分配一個內(nèi)存地址,那么是否想過如下這些問題:
- 這個實例對象是以怎樣的形態(tài)存在內(nèi)存中的?
- 一個Object對象在內(nèi)存中占用多大?
- 對象中的屬性是如何在內(nèi)存中分配的?
在 JVM 中,Java對象保存在堆中時,由以下三部分組成:
- 對象頭(object header):包括了關(guān)于堆對象的布局、類型、GC狀態(tài)、同步狀態(tài)和標(biāo)識哈希碼的基本信息。Java對象和vm內(nèi)部對象都有一個共同的對象頭格式。
- 實例數(shù)據(jù)(Instance Data):主要是存放類的數(shù)據(jù)信息,父類的信息,對象字段屬性信息。
- 對齊填充(Padding):為了字節(jié)對齊,填充的數(shù)據(jù),不是必須的。
對象頭
我們可以在Hotspot官方文檔中找到它的描述(下圖)。從中可以發(fā)現(xiàn),它是Java對象和虛擬機內(nèi)部對象都有的共同格式,由兩個字(計算機術(shù)語)組成。另外,如果對象是一個Java數(shù)組,那在對象頭中還必須有一塊用于記錄數(shù)組長度的數(shù)據(jù),因為虛擬機可以通過普通Java對象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對象的大小,但是從數(shù)組的元數(shù)據(jù)中無法確定數(shù)組的大小。
它里面提到了對象頭由兩個字組成,這兩個字是什么呢?我們還是在上面的那個Hotspot官方文檔中往上看,可以發(fā)現(xiàn)還有另外兩個名詞的定義解釋,分別是 mark word 和 klass pointer。
從中可以發(fā)現(xiàn)對象頭中那兩個字:第一個字就是 mark word,第二個就是 klass pointer。
Mark Word
用于存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù),如哈希碼(HashCode)、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時間戳等等。
Mark Word在32位JVM中的長度是32bit,在64位JVM中長度是64bit。我們打開openjdk的源碼包,對應(yīng)路徑/openjdk/hotspot/src/share/vm/oops
,Mark Word對應(yīng)到C++的代碼markOop.hpp
,可以從注釋中看到它們的組成,本文所有代碼是基于Jdk1.8。
Mark Word在不同的鎖狀態(tài)下存儲的內(nèi)容不同,在32位JVM中是這么存的
在64位JVM中是這么存的
雖然它們在不同位數(shù)的JVM中長度不一樣,但是基本組成內(nèi)容是一致的。
- 鎖標(biāo)志位(lock):區(qū)分鎖狀態(tài),11時表示對象待GC回收狀態(tài), 只有最后2位鎖標(biāo)識(11)有效。
- biased_lock:是否偏向鎖,由于無鎖和偏向鎖的鎖標(biāo)識都是 01,沒辦法區(qū)分,這里引入一位的偏向鎖標(biāo)識位。
- 分代年齡(age):表示對象被GC的次數(shù),當(dāng)該次數(shù)到達閾值的時候,對象就會轉(zhuǎn)移到老年代。
- 對象的hashcode(hash):運行期間調(diào)用System.identityHashCode()來計算,延遲計算,并把結(jié)果賦值到這里。當(dāng)對象加鎖后,計算的結(jié)果31位不夠表示,在偏向鎖,輕量鎖,重量鎖,hashcode會被轉(zhuǎn)移到Monitor中。
- 偏向鎖的線程ID(JavaThread):偏向模式的時候,當(dāng)某個線程持有對象的時候,對象這里就會被置為該線程的ID。 在后面的操作中,就無需再進行嘗試獲取鎖的動作。
- epoch:偏向鎖在CAS鎖操作過程中,偏向性標(biāo)識,表示對象更偏向哪個鎖。
- ptr_to_lock_record:輕量級鎖狀態(tài)下,指向棧中鎖記錄的指針。當(dāng)鎖獲取是無競爭的時,JVM使用原子操作而不是OS互斥。這種技術(shù)稱為輕量級鎖定。在輕量級鎖定的情況下,JVM通過CAS操作在對象的標(biāo)題字中設(shè)置指向鎖記錄的指針。
- ptr_to_heavyweight_monitor:重量級鎖狀態(tài)下,指向?qū)ο蟊O(jiān)視器Monitor的指針。如果兩個不同的線程同時在同一個對象上競爭,則必須將輕量級鎖定升級到Monitor以管理等待的線程。在重量級鎖定的情況下,JVM在對象的ptr_to_heavyweight_monitor設(shè)置指向Monitor的指針。
Klass Pointer
即類型指針,是對象指向它的類元數(shù)據(jù)的指針,虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。
實例數(shù)據(jù)
如果對象有屬性字段,則這里會有數(shù)據(jù)信息。如果對象無屬性字段,則這里就不會有數(shù)據(jù)。根據(jù)字段類型的不同占不同的字節(jié),例如boolean類型占1個字節(jié),int類型占4個字節(jié)等等;
對齊數(shù)據(jù)
對象可以有對齊數(shù)據(jù)也可以沒有。默認(rèn)情況下,Java虛擬機堆中對象的起始地址需要對齊至8的倍數(shù)。如果一個對象用不到8N個字節(jié)則需要對其填充,以此來補齊對象頭和實例數(shù)據(jù)占用內(nèi)存之后剩余的空間大小。如果對象頭和實例數(shù)據(jù)已經(jīng)占滿了JVM所分配的內(nèi)存空間,那么就不用再進行對齊填充了。
所有的對象分配的字節(jié)總SIZE需要是8的倍數(shù),如果前面的對象頭和實例數(shù)據(jù)占用的總SIZE不滿足要求,則通過對齊數(shù)據(jù)來填滿。
為什么要對齊數(shù)據(jù)?字段內(nèi)存對齊的其中一個原因,是讓字段只出現(xiàn)在同一CPU的緩存行中。如果字段不是對齊的,那么就有可能出現(xiàn)跨緩存行的字段。也就是說,該字段的讀取可能需要替換兩個緩存行,而該字段的存儲也會同時污染兩個緩存行。這兩種情況對程序的執(zhí)行效率而言都是不利的。其實對其填充的最終目的是為了計算機高效尋址。
至此,我們已經(jīng)了解了對象在堆內(nèi)存中的整體結(jié)構(gòu)布局,如下圖所示
Talk is cheap, show me code
概念的東西是抽象的,你說它是這樣組成的,就真的是嗎?學(xué)習(xí)是需要持懷疑的態(tài)度的,任何理論和概念只有自己證實和實踐之后才能接受它。還好 openjdk 給我們提供了一個工具包,可以用來獲取對象的信息和虛擬機的信息,我們只需引入 jol-core 依賴,如下
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.8</version>
</dependency>
jol-core 常用的三個方法
ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()
:查看對象內(nèi)部信息.GraphLayout.parseInstance(object).toPrintable()
:查看對象外部信息,包括引用的對象.GraphLayout.parseInstance(object).totalSize()
:查看對象總大小.
普通對象
為了簡單化,我們不用復(fù)雜的對象,自己創(chuàng)建一個類 D,先看無屬性字段的時候
public class D {
}
通過 jol-core 的 api,我們將對象的內(nèi)部信息打印出來
public static void main(String[] args) {
D d = new D();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
}
最后的打印結(jié)果為
可以看到有 OFFSET、SIZE、TYPE DESCRIPTION、VALUE 這幾個名詞頭,它們的含義分別是
- OFFSET:偏移地址,單位字節(jié);
- SIZE:占用的內(nèi)存大小,單位為字節(jié);
- TYPE DESCRIPTION:類型描述,其中object header為對象頭;
- VALUE:對應(yīng)內(nèi)存中當(dāng)前存儲的值,二進制32位;
可以看到,d對象實例共占據(jù)16byte,對象頭(object header)占據(jù)12byte(96bit),其中 mark word占8byte(64bit),klass pointe 占4byte,另外剩余4byte是填充對齊的。
這里由于默認(rèn)開啟了指針壓縮,所以對象頭占了12byte,具體的指針壓縮的概念這里就不再闡述了,感興趣的讀者可以自己查閱下官方文檔。jdk8版本是默認(rèn)開啟指針壓縮的,可以通過配置vm參數(shù)開啟關(guān)閉指針壓縮,-XX:-UseCompressedOops
。
如果關(guān)閉指針壓縮重新打印對象的內(nèi)存布局,可以發(fā)現(xiàn)總SIZE變大了,從下圖中可以看到,對象頭所占用的內(nèi)存大小變?yōu)?6byte(128bit),其中 mark word占8byte,klass pointe 占8byte,無對齊填充。
開啟指針壓縮可以減少對象的內(nèi)存使用。從兩次打印的D對象布局信息來看,關(guān)閉指針壓縮時,對象頭的SIZE增加了4byte,這里由于D對象是無屬性的,讀者可以試試增加幾個屬性字段來看下,這樣會明顯的發(fā)現(xiàn)SIZE增長。因此開啟指針壓縮,理論上來講,大約能節(jié)省百分之五十的內(nèi)存。jdk8及以后版本已經(jīng)默認(rèn)開啟指針壓縮,無需配置。
數(shù)組對象
上面使用的是普通對象,我們來看下數(shù)組對象的內(nèi)存布局,比較下有什么異同
public static void main(String[] args) {
int[] a = {1};
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}
打印的內(nèi)存布局信息,如下
可以看到這時總SIZE為共24byte,對象頭占16byte,其中Mark Work占8byte,Klass Point 占4byte,array length 占4byte,因為里面只有一個int 類型的1,所以數(shù)組對象的實例數(shù)據(jù)占據(jù)4byte,剩余對齊填充占據(jù)4byte。
結(jié)尾
經(jīng)過以上的內(nèi)容我們了解了對象在內(nèi)存中的布局,了解對象的內(nèi)存布局和對象頭的概念,特別是對象頭的Mark Word的內(nèi)容,在我們后續(xù)分析 synchronize 鎖優(yōu)化 和 JVM 垃圾回收年齡代的時候會有很大作用。
JVM中大家是否還記得對象在Suvivor中每熬過一次MinorGC,年齡就增加1,當(dāng)它的年齡增加到一定程度后就會被晉升到老年代中,這個次數(shù)默認(rèn)是15歲,有想過為什么是15嗎?在Mark Word中可以發(fā)現(xiàn)標(biāo)記對象分代年齡的分配的空間是4bit,而4bit能表示的最大數(shù)就是2^4-1 = 15。
以上就是關(guān)于Java對象在內(nèi)存中的構(gòu)成和對象頭概念的全部內(nèi)容,想要了解更多關(guān)于Java底層知識的內(nèi)容,請搜索W3Cschool其他相關(guān)文章。如果覺得本篇文章不錯,還希望大家多多支持!