Java对象在内存中是如何表示的

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Jul 20, 2020

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Java对象在内存中是如何表示的

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背景知识

JVM 规范中没有限制对象在内存中是怎么表示的，具体的设计方式取决于各 JVM 实现，我们就以最常见的 HotSpot 为例来说明。

HotSpot JVM 是用一种叫做 Ordinary Object Pointer（OOP）的数据结构来表示指向对象的指针。在 OOP 中，最重要的是 mark word 和klass word：

mark word 中包含了唯一标识一个对象的hashcode，关于锁的信息，GC的信息。mark word占用4字节（32位架构中，64位架构中是8字节），其中关于锁的信息，在对象使用偏向锁和普通锁的时候，存储方式是完全不同的。

klass word则存储了一些编程语言层面的类相关的信息，比如类名，修饰符，父类信息等等。通常有4字节大小。

刚才说了，OOP中最重要的是mark word 和klass word，因为不管指向的是个普通对象，还是一个array，这两部分都是存在的。

除此之外，对于array来说，另外还要存array的长度；根据整个对象头的大小不同，还可能有一些用于对齐的填充字节。

调试环境

GET HANDS DIRTY

下面我们来看看一个普通对象在JVM中到底是怎么表示的，执行这段代码

可以看到以下输出

意思也挺直白，告诉我们运行环境是64位的HotSpot虚拟机，对齐长度是8字节。我们重点看后面两行，表示的是各类型占用的内存空间。按照顺序，后面两行意思就是： 1. 对象的引用是4字节、boolean和byte占用1字节、short和char占用2字节、int和float占用4字节、long和double占用8字节 2. 如果我们把对象放到array里，作为array 的元素的话，也占用这么多空间

Class Layout

我们有这么一个类

把它的class layout打印出来看看

可以看到，对象头占了12字节，state属性占了4字节，总共对象占了16字节；这个对象头的12字节，刚好印证了mark word的8字节+klass word的4字节。因为我们这里打印的是class 的layout，所以后面的VALUE显示的都是N/A。

对象默认的hash code

Object提供的默认方法之一就是hashCode()，当我们没有重写这个方法时，默认的native实现返回的就是mark word中的identity hashcode。

hashcode应该在对象的整个生命周期内都不会发生变化，所以HotSpot把它存在了mark word里。让我们看一看

为了方便阅读，我加了一点注释，其中0～4，4～8字节的内容是mark word，8～12字节是klass word，接下来int属性占了4字节。这个实例整个占用了16字节。值得注意的是，mark word的前4字节现在值是1，后4字节现在值是0；我们开始说过了，identity hashcode是存在mark word中的，这显然有问题。

其实这个hashcode是延迟计算的，用到的时候才会计算它的值，如果我们尝试调用对象的hashCode()方法，就能发现mark word的内容变了。

上面结果中的ae 04 6a 70就是hashcode，由于JVM是采用小端法存储（低位地址存储低位字节）多字节信息的，所以我们应该按照70 6a 04 ae的顺序理解这段内容，转换成10进制的话，正是上面打印的1885996206。

对齐

回到最开始，在我们打印VM.current().details()的时候，有这么一句输出：

说的就是对齐的信息，上面是说对象是按8字节来对齐的。我们上面的例子中，都有这么一句

这是因为前面的例子中，OOP的大小都是16字节，正好是8的倍数，所以不用对齐。让我们看看需要对齐的例子

可以看到，因为我们的AlignmentSimpleInt类中state变成了long，占用8个字节，整个OOP应该占用12+8=20字节才对。由于这个原因，出现了4个字节的alignment/padding gap，把整个OOP的占用内存变成了24字节。就是因为要按8字节来对齐，所以需要填充4个字节，使整个OOP的大小是8的倍数。

属性重排

当一个类有多个属性的时候，JVM可能会出于要降低填充字节数的原因（解约内存避免浪费）而把属性进行重排，我们在代码中声明的顺序，不一定是OOP中表示的顺序，比如我们有这么一个类

可以看到，OOP中的顺序，跟我们声明的顺序不同，因为按照我们声明的顺序，显然要用到更多的空间来存储。如果正好这个类在应用中要成千上万次的实例化，那么属性重排避免的空间浪费就很可观了。

关于锁

开头提到，mark word中也有锁相关的信息，我们可以简单的看一下

注意mark word的第一个字节，值是0x01，如果我们执行一些锁相关的操作

可以看到第一个字节的值变成了0x60其他位的模式也发生了变化。

年龄和分代

我们知道GC中会利用分代来提高效率，有一些对象会在一段时间后进入老年代，要达到这个目的，JVM就必须知道每个对象存活了多久。这个信息也是存在mark word中的。在运行时，一个对象的地址发生变化了，很有可能就是因为minor GC发生了。所以我们通过大量的创建对象，来促使JVM进行minor GC。来观察mark word的变化

输出的内容有点多，我只把mark word的前4字节截取出来就是这样的

可以看到，每次地址发生变化，这个部分的值就+1，其实这中间记录的就是对象的年龄。