图文详解Java对象内存布局

对各个组成部分的功能简要进行说明：

• 对象头：对象头存储的是对象在运行时状态的相关信息、指向该对象所属类的元数据的指针，如果对象是数组对象那么还会额外存储对象的数组长度

• 实例数据：实例数据存储的是对象的真正有效数据，也就是各个属性字段的值，如果在拥有父类的情况下，还会包含父类的字段。字段的存储顺序会受到数据类型长度、以及虚拟机的分配策略的影响

• 对齐填充字节：在java对象中，需要对齐填充字节的原因是，64位的jvm中对象的大小被要求向8字节对齐，因此当对象的长度不足8字节的整数倍时，需要在对象中进行填充操作。注意图中对齐填充部分使用了虚线，这是因为填充字节并不是固定存在的部分，这点在后面计算对象大小时具体进行说明

2、JOL 工具简介

在具体开始研究对象的内存结构之前，先介绍一下我们要用到的工具，openjdk官网提供了查看对象内存布局的工具jol (java object layout)，可在maven中引入坐标：

<dependency>     <groupId>org.openjdk.jol</groupId>     <artifactId>jol-core</artifactId>     <version>0.14</version> </dependency> 

在代码中使用jol提供的方法查看jvm信息：

System.out.println(VM.current().details());

通过打印出来的信息，可以看到我们使用的是64位 jvm，并开启了指针压缩，对象默认使用8字节对齐方式。通过jol查看对象内存布局的方法，将在后面的例子中具体展示，下面开始对象内存布局的正式学习。

3、对象头

首先看一下对象头（Object header）的组成部分，根据普通对象和数组对象的不同，结构将会有所不同。只有当对象是数组对象才会有数组长度部分，普通对象没有该部分，如下图所示：

在对象头中mark word占8字节，默认开启指针压缩的情况下klass pointer占4字节，数组对象的数组长度占4字节。在了解了对象头的基础结构后，现在以一个不包含任何属性的空对象为例，查看一下它的内存布局，创建User类：

public class User {
}

使用jol查看对象头的内存布局：

public static void main(String[] args) {
    User user=new User();
    //查看对象的内存布局     System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

执行代码，查看打印信息：

• OFFSET：偏移地址，单位为字节
• SIZE：占用内存大小，单位为字节
• TYPE：Class中定义的类型
• DESCRIPTION：类型描述，Obejct header表示对象头，alignment表示对齐填充
• VALUE：对应内存中存储的值

当前对象共占用16字节，因为8字节标记字加4字节的类型指针，不满足向8字节对齐，因此需要填充4个字节：

8B (mark word) + 4B (klass pointer) + 0B (instance data) + 4B (padding)

这样我们就通过直观的方式，了解了一个不包含属性的最简单的空对象，在内存中的基本组成是怎样的。在此基础上，我们来深入学习对象头中各个组成部分。

3.1 Mark Word 标记字

在对象头中，mark word一共有64个bit，用于存储对象自身的运行时数据，标记对象处于以下5种状态中的某一种：

3.1.1 基于mark word的锁升级

在jdk6 之前，通过synchronized关键字加锁时使用无差别的的重量级锁，重量级锁会造成线程的串行执行，并且使cpu在用户态和核心态之间频繁切换。随着对synchronized的不断优化，提出了锁升级的概念，并引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁。在mark word中，锁（lock）标志位占用2个bit，结合1个bit偏向锁（biased_lock）标志位，这样通过倒数的3位，就能用来标识当前对象持有的锁的状态，并判断出其余位存储的是什么信息。

基于mark word的锁升级的流程如下：

1、锁对象刚创建时，没有任何线程竞争，对象处于无锁状态。在上面打印的空对象的内存布局中，根据大小端，得到最后8位是00000001，表示处于无锁态，并且处于不可偏向状态。这是因为在jdk中偏向锁存在延迟4秒启动，也就是说在jvm启动后4秒后创建的对象才会开启偏向锁，我们通过jvm参数取消这个延迟时间：

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0

这时最后3位为101，表示当前对象的锁没有被持有，并且处于可被偏向状态。

2、在没有线程竞争的条件下，第一个获取锁的线程通过CAS将自己的threadId写入到该对象的mark word中，若后续该线程再次获取锁，需要比较当前线程threadId和对象mark word中的threadId是否一致，如果一致那么可以直接获取，并且锁对象始终保持对该线程的偏向，也就是说偏向锁不会主动释放。

使用代码进行测试同一个线程重复获取锁的过程：

public static void main(String[] args) {
    User user=new User();
    synchronized (user){
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    }
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    synchronized (user){
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    }
}

执行结果：

可以看到一个线程对一个对象加锁、解锁、重新获取对象的锁时，mark word都没有发生变化，偏向锁中的当前线程指针始终指向同一个线程。

3、当两个或以上线程交替获取锁，但并没有在对象上并发的获取锁时，偏向锁升级为轻量级锁。在此阶段，线程采取CAS的自旋方式尝试获取锁，避免阻塞线程造成的cpu在用户态和内核态间转换的消耗。测试代码如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    User user=new User();
    synchronized (user){
        System.out.println("--MAIN--:"+ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    }
    Thread thread = new Thread(() -> {
        synchronized (user) {
            System.out.println("--THREAD--:"+ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
        }
    });
    thread.start();
    thread.join();
    System.out.println("--END--:"+ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

先直接看一下结果：

整个加锁状态的变化流程如下：

• 主线程首先对user对象加锁，首次加锁为101偏向锁
• 子线程等待主线程释放锁后，对user对象加锁，这时将偏向锁升级为00轻量级锁
• 轻量级锁解锁后，user对象无线程竞争，恢复为001无锁态，并且处于不可偏向状态。如果之后有线程再尝试获取user对象的锁，会直接加轻量级锁，而不是偏向锁

4、当两个或以上线程并发的在同一个对象上进行同步时，为了避免无用自旋消耗cpu，轻量级锁会升级成重量级锁。这时mark word中的指针指向的是monitor对象（也被称为管程或监视器锁）的起始地址。测试代码如下：

public static void main(String[] args) {
    User user = new User();
    new Thread(() -> {
        synchronized (user) {
            System.out.println("--THREAD1--:" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }).start();
    new Thread(() -> {
        synchronized (user) {
            System.out.println("--THREAD2--:" + ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }).start();
}

查看结果：

可以看到，在两个线程同时竞争user对象的锁时，会升级为10重量级锁。

3.1.2 其他信息

对mark word中其他重要信息进行说明：

• hashcode：无锁态下的hashcode采用了延迟加载技术，在第一次调用hashCode()方法时才会计算写入。对这一过程进行验证：

public static void main(String[] args) {
    User user=new User();
    //打印内存布局     System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
    //计算hashCode     System.out.println(user.hashCode());
    //再次打印内存布局     System.out.println(ClassLayout.parseInstance(user).toPrintable());
}

可以看到，在没有调用hashCode()方法前，31位的哈希值不存在，全部填充为0。在调用方法后，根据大小端，被填充的数据为：

1011001001101100011010010101101

将2进制转换为10进制，对应哈希值1496724653。需要注意，只有在调用没有被重写的Object.hashCode()方法或System.identityHashCode(Object)方法才会写入mark word，执行用户自定义的hashCode()方法不会被写入。

大家可能会注意到，当对象被加锁后，mark word中就没有足够空间来保存hashCode了，这时hashcode会被移动到重量级锁的Object Monitor中。

• epoch：偏向锁的时间戳

• 分代年龄（age）：在jvm的垃圾回收过程中，每当对象经过一次Young GC，年龄都会加1，这里4位来表示分代年龄最大值为15，这也就是为什么对象的年龄超过15后会被移到老年代的原因。在启动时可以通过添加参数来改变年龄阈值：

-XX:MaxTenuringThreshold

当设置的阈值超过15时，启动时会报错：