关于对象在虚拟机中内存布局与访问定位

在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:

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

1.对象头

对象头包括两个部分的信息。
第一部分主要用于存储与对象运行时相关的信息,长度与通过操作系统的位数保持一致,在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32bit和64bit。包括对象的Hash值、GC分代年龄、锁状态以及偏向线程的ID、偏向时间戳等。官方称为"Mark Word"。

另一部分是类型指针。即对象指向他类元数据的指针,虚拟机是通过这个类型指针确定该对象属于哪个类的实例。并不是所有的虚拟机都是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不一定要经过对象本身。

另外,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,但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

由于对象头信息是与对象所定义的信息无关的数据,所以使用了非固定的数据结构,以便存储更多的信息,实现空间复用。因此对象在不同的状态下对象头的存储信息有所差别。

对象头占用空间大小
这里说明一下32位系统和64位系统中对象所占用内存空间的大小:

在32位系统下,存放Class Pointer的空间大小是4字节,MarkWord是4字节,对象头为8字节;
在64位系统下,存放Class Pointer的空间大小是8字节,MarkWord是8字节,对象头为16字节;
64位开启指针压缩的情况下,存放Class Pointer的空间大小是4字节,MarkWord是8字节,对象头为12字节;
如果是数组对象,对象头的大小为:数组对象头8字节+数组长度4字节+对齐4字节=16字节。其中对象引用占4字节(未开启指针压缩的64位为8字节),数组MarkWord为4字节(64位未开启指针压缩的为8字节);
静态属性不算在对象大小内。

2.实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,也是程序代码中定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承的还是子类定义的都需要记录下来。

这部分会受虚拟机分配参数(FieldsAllocationStyle)和字段在java源码中定义顺序的影响。

HotSpot虚拟机默认的分配策略为
longs/doubles、
ints、
shorts/chars、
bytes/booleans、
oops(Ordinary Object Pointers),
从分配策略中可以看出,相同宽度的字段总是被分配到一起。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CompactFields参数值为true(默认为true),那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

3.对齐填充

第三部分对齐填充并不是必然存在的,也没有特别的含义,它仅仅起着占位符的作用。

由于HotSpot VM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,就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的倍数(1倍或者2倍),因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

我们已经知道在java虚拟机中,对象的内存包括了什么,那么当需要使用对象时,我们需要先知道对象的哪些内容在什么位置,也就是访问定位。

java程序需要通过栈上的Reference数据来操作堆上的具体对象。由于Reference类型在jvm虚拟机规范中,只规定了一个指向对象的引用,并没有定义这个引用需要通过什么方式去定位、访问堆中的对象的具体位置,因此对象的访问方式是由虚拟机具体实现而定的。

目前主流的访问方式有两种:

1.使用句柄的方式

2.直接指针的方式。

第一种方式

如果使用句柄访问的话,那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,reference中存储的就是对象的句柄地址,而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。

第二种方式

如果使用直接指针访问,那么Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息,而reference中存储的直接就是对象地址。

这两种访问方式都有各自的优势,使用句柄访问的最大好处就是reference存储的是最稳定的句柄位置,在对象移动时只会改变句柄的中的实例数据指针,而reference本身不需要修改。

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快,它节省了一次指针定位的时间开销,由于对象的访问在Java中非常频繁,因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

目前Sun HotSpot而言,它是使用第二种方式进行对象访问的,但从整个软件开发的范围来看,各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。

部分内容取自:
来自《深入理解JVM虚拟机》JVM高级特性与最佳实现。

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