java物件的記憶體佈局
寫java時不管是我們自己new物件還是spring管理bean，儘管我們天天跟物件打交道，那麼物件的結構和記憶體佈局有多少人知道呢，這篇文章可帶你入門，瞭解java物件記憶體佈局。
本文涉及到JVM指標壓縮的知識點，不熟悉的小夥伴可以看前面寫過的一篇關於指標壓縮的文章。
JVM之指標壓縮
首先說明，本文涉及的JDK版本是1.8，JVM虛擬機器器是64位元的HotSpot實現為準。
java物件結構
關於java物件我們知道， 物件的範例是存在堆上的， 物件的後設資料存在方法區(元空間)上，物件的參照儲存在棧上的。那麼java物件的結構是什麼樣的呢，其實java物件由三部分構成。
- 物件頭
物件頭裡也有三部分構成。
- Markword
儲存物件的hashCode、垃圾回收物件的年齡以及鎖資訊等。
- 型別指標
物件指向的類資訊地址即後設資料指標，比如User物件指標指向User.class的JVM記憶體地址。注意：jdk1.8以後後設資料是存在Metaspace裡的，jdk1.8之前是在方法區裡
- 陣列長度
只有物件是陣列的情況下，才有這部分資料，若物件不是陣列，則沒有這部分，不分配空間。
- 物件體
物件裡的非靜態屬性佔用的空間（包括父類別的所有屬性，不區分修飾型別），不包括方法，注意：是非靜態屬性，屬於物件的屬性，靜態屬性是屬於類的不在物件上分配空間。如果屬性是基本資料型別，則直接存物件本身，如果是參照型別，則存的是物件的指標。
- 對齊填充
預設情況下，如果物件頭+物件體大小不是8位元組的倍數，則通過該部分進行補齊，比如物件頭+物件體大小隻有30位元組，則需要補齊到32位元組，這裡的對齊填充就是2位元組。預設情況下，JVM中物件是以8位元組對齊的，若物件頭加上物件體是8的倍數時，則不存在位元組對齊，否則會填充補齊到8的倍數。
物件結構如下圖所示。
通過圖中可以看出，陣列物件只是在物件頭裡多了陣列長度這一項，普通物件（非陣列物件）沒有這項，也不分配記憶體空間。
物件結構及佔用空間大小如下圖所示。
涉及指標壓縮的地方有兩個，一個是物件頭裡的型別指標，一個是物件體裡的參照型別指標，這篇文章裡有詳細的介紹：JVM之指標壓縮。
物件頭
物件頭包含三部分
- Markword：儲存物件自身執行時資料如hashcode、gc分代年齡及鎖資訊等，64位元系統總共佔用8個位元組。
- 型別指標：物件指向類後設資料地址的指標，jdk8預設開啟指標壓縮，64位元系統佔4個位元組
- 陣列長度：若物件不是陣列，則沒有該部分，不分配空間大小，若是陣列，則為4個位元組長度
物件頭佔用空間大小如下表所示。
Markword
儲存物件自身執行時資料如hashcode、gc分代年齡及鎖資訊等，64位元系統總共佔用8個位元組，也就是64bit，64位元的二進位制0和1。
解釋如下：
- 物件的hashCode佔31位元，重寫類的hashCode方法返回int型別，只有在無鎖情況下，是在有呼叫的情況下會計算該值並寫到物件頭中，其他情況該值是空的。
- 分代年齡佔4位元，最大值也就是15，在GC中，當survivor區中物件複製一次，年齡加1，預設是到15之後會移動到老年代。
- 是否偏向鎖佔1位，無鎖和偏向鎖的最後兩位都是01，使用這一位來標識區分是無鎖還是偏向鎖。
- 鎖標誌位佔2位，鎖狀態標記位，同是否偏向鎖標誌位標識物件處於什麼鎖狀態。
- 偏向執行緒ID佔54位元，只有偏向鎖狀態才有，這個ID是作業系統層面的執行緒唯一id，跟java中的執行緒id是不一致的。
型別指標
型別指標指向類的後設資料地址，JVM通過這個指標確定物件是哪個類的範例。32位元的JVM佔32位元，4個位元組，64位元的JVM佔64位元，8個位元組，但是64位元的JVM預設會開啟指標壓縮，壓縮後也只佔4位元組。
64位元虛擬機器器中在堆記憶體小於32GB的情況下，UseCompressedOops是預設開啟的，該參數列示開啟指標壓縮，會將原來64位元的指標壓縮為32位元。
-XX:+UseCompressedClassPointers //開啟壓縮類指標
-XX:-UseCompressedClassPointers //關閉壓縮類指標
這個JVM引數依賴UseCompressedOops這個引數，UseCompressedOops開啟，UseCompressedClassPointers預設開啟，可手工關閉，UseCompressedOops關閉，UseCompressedClassPointers不管開啟還是關閉都不生效即不壓縮。
陣列長度
如果物件是普通物件非陣列物件，則沒有這部分，不佔用空間。
如果物件是一個陣列，則將陣列的長度存到物件頭裡，表示陣列的大小。
物件體
物件體裡放的是非靜態的屬性，也包括父類別的所有非靜態屬性（private修飾的也在這裡，不區分可見性修飾符），基本型別的屬性存放的是具體的值，參照型別及陣列型別存放的是參照指標。
對齊填充
虛擬機器器為了高效定址，採用8位元組對齊，所以物件大小不是8的倍數時，會補齊對應的位置，比如物件頭+物件體是32位元組時，則不需要對齊填充，物件頭+物件體是12位元組時，則需補齊4位元。
物件大小的計算
物件的大小跟指標壓縮是否開啟有關，可通過以下兩個引數控制。
UseCompressedClassPointers：壓縮類指標（開啟時類指標占4位元組，關閉時類指標占8位元組）
UseCompressedOops：壓縮普通物件指標（開啟時參照物件指標占4位元組，關閉時參照物件指標占8位元組）
這兩個引數預設是開啟的，即-XX:+UseCompressedClassPointers，-XX:+UseCompressedOops，也可手動設定，如下所示
-XX:+UseCompressedClassPointers //開啟壓縮類指標
-XX:-UseCompressedClassPointers //關閉壓縮類指標
-XX:+UseCompressedOops //開啟壓縮普通物件指標
-XX:-UseCompressedOops //關閉壓縮普通物件指標
32位元HotSpot VM是不支援UseCompressedOops引數的，只有64位元HotSpot VM才支援。
Oracle JDK從6 update 23開始在64位元系統上會預設開啟壓縮指標。
以下表格展示了物件中各部分所佔空間大小，單位：位元組。
| 型別 | 所屬部分 | 佔用空間大小（壓縮開啟） | 佔用空間大小（壓縮關閉） |
|---|---|---|---|
| Markwork | 物件頭 | 8 | 8 |
| 型別指標 | 物件頭 | 4 | 8 |
| 陣列長度 | 物件頭 | 4 | 4 |
| byte | 物件體 | 1 | 1 |
| boolean | 物件體 | 1 | 1 |
| short | 物件體 | 2 | 2 |
| char | 物件體 | 2 | 2 |
| int | 物件體 | 4 | 4 |
| float | 物件體 | 4 | 4 |
| long | 物件體 | 8 | 8 |
| double | 物件體 | 8 | 8 |
| 物件參照指標 | 物件體 | 4 | 8 |
| 對齊填充 | 對齊填充 | 物件頭+物件體是8的倍數？0 ：8 -（物件頭+物件體）% 8 | 物件頭+物件體是8的倍數？0 ：8 -（物件頭+物件體）% 8 |
物件大小計算公式
物件大小=物件頭 + 物件體（物件是陣列時，物件體的大小=參照指標占用空間大小*物件個數） + 對齊填充
64位元作業系統32G記憶體以下，預設開啟物件指標壓縮，物件頭是12位元組，關閉指標壓縮，物件頭是16位元組。記憶體超過32G時，則自動關閉指標壓縮，物件頭佔16位元組。
物件分析
有了以上的理論知識，我們通過實際案例進行物件分析。
使用 JOL 工具分析 Java 物件大小
maven依賴
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.17</version>
</dependency>
常用類及方法
檢視物件內部資訊： ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable()
檢視物件外部資訊：GraphLayout.parseInstance(obj).toPrintable()
檢視物件佔用空間總大小：GraphLayout.parseInstance(obj).totalSize()
檢視類內部資訊：ClassLayout.parseClass(Object.class).toPrintable()
使用到的測試類：
@Setter
class Goods {
private byte b;
private char type;
private short age;
private int no;
private float weight;
private double price;
private long id;
private boolean flag;
private String goodsName;
private LocalDateTime produceTime;
private String[] tags;
public static String str;
public static int temp;
}
非陣列物件，開啟指標壓縮
64位元JVM，堆記憶體小於32G的情況下，預設是開啟指標壓縮的。
public static void main(String[] args) {
Goods goods = new Goods();
goods.setAge((short) 10);
goods.setNo(123456);
goods.setId(111L);
goods.setGoodsName("方便麵");
goods.setFlag(true);
goods.setB((byte)1);
goods.setPrice(1.5d);
goods.setProduceTime(LocalDateTime.now());
goods.setType('A');
goods.setWeight(0.065f);
goods.setTags(new String[] {"food", "convenience", "cheap"});
Goods.str = "test";
Goods.temp = 222;
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(goods).toPrintable());
}
計算物件大小：
先不看輸出結果，按上面的公式計算一下物件的大小：
物件頭：8位元組（Markword）+4位元組（類指標）=12位元組
物件體：1位元組（屬性b）+ 2位元組（屬性type）+ 2位元組（屬性age）+ 4位元組（屬性no）+ 4位元組（屬性weight）+ 8位元組（屬性price）+ 8位元組（屬性id）+ 1位元組（屬性flag） + 4位元組（屬性goodsName指標） + 4位元組（屬性produceTime指標） + 4位元組（屬性tags指標）= 42位元組（注意：靜態屬性不參與物件大小計算）
對齊填充：8 -（物件頭+物件體）% 8 = 8 - （12 + 42） % 8 = 2位元組
物件大小=物件頭 + 物件體 + 對齊填充 = 12位元組 + 42位元組 + 2位元組 = 56位元組。
執行看執行結果：
com.star95.study.jvm.Goods object internals:
OFF SZ TYPE DESCRIPTION VALUE
0 8 (object header: mark) 0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
8 4 (object header: class) 0x2000c043
12 4 int Goods.no 123456
16 8 double Goods.price 1.5
24 8 long Goods.id 111
32 4 float Goods.weight 0.065
36 2 char Goods.type A
38 2 short Goods.age 10
40 1 byte Goods.b 1
41 1 boolean Goods.flag true
42 2 (alignment/padding gap)
44 4 java.lang.String Goods.goodsName (object)
48 4 java.time.LocalDateTime Goods.produceTime (object)
52 4 java.lang.String[] Goods.tags [(object), (object), (object)]
Instance size: 56 bytes
Space losses: 2 bytes internal + 0 bytes external = 2 bytes total
這裡有一個特殊的地方，列印輸出的屬性順序跟程式碼裡的順序不一致，這是因為JVM進行優化，也就是指令重排序，會根據屬性型別的大小、執行的先後順序對結果是否有影響、最小填充大小等因素計算出物件最小應占用的空間。
非陣列物件，關閉指標壓縮
計算物件大小：
關閉壓縮指標，類指標和參照物件指標都佔8位元組，推算一下物件大小：
物件頭：8位元組（Markword）+8位元組（類指標）=16位元組
物件體：1位元組（屬性b）+ 2位元組（屬性type）+ 2位元組（屬性age）+ 4位元組（屬性no）+ 4位元組（屬性weight）+ 8位元組（屬性price）+ 8位元組（屬性id）+ 1位元組（屬性flag） + 8位元組（屬性goodsName指標） + 8位元組（屬性produceTime指標） + 8位元組（屬性tags指標）= 54位元組（注意：靜態屬性不參與物件大小計算）
對齊填充：8 -（物件頭+物件體）% 8 = 8 - （16 + 54） % 8 = 2位元組
物件大小=物件頭 + 物件體 + 對齊填充 = 16位元組 + 54位元組 + 2位元組 = 72位元組。
執行時增加JVM引數如下：
-XX:-UseCompressedClassPointers -XX:-UseCompressedOops
public class ObjectLayOut1 {
public static void main(String[] args) {
Goods goods = new Goods();
goods.setAge((short) 10);
goods.setNo(123456);
goods.setId(111L);
goods.setGoodsName("方便麵");
goods.setFlag(true);
goods.setB((byte)1);
goods.setPrice(1.5d);
goods.setProduceTime(LocalDateTime.now());
goods.setType('A');
goods.setWeight(0.065f);
goods.setTags(new String[] {"food", "convenience", "cheap"});
Goods.str = "test";
Goods.temp = 222;
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(goods).toPrintable());
}
}
執行看執行結果：
com.star95.study.jvm.Goods object internals:
OFF SZ TYPE DESCRIPTION VALUE
0 8 (object header: mark) 0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
8 8 (object header: class) 0x00000000175647b8
16 8 double Goods.price 1.5
24 8 long Goods.id 111
32 4 int Goods.no 123456
36 4 float Goods.weight 0.065
40 2 char Goods.type A
42 2 short Goods.age 10
44 1 byte Goods.b 1
45 1 boolean Goods.flag true
46 2 (alignment/padding gap)
48 8 java.lang.String Goods.goodsName (object)
56 8 java.time.LocalDateTime Goods.produceTime (object)
64 8 java.lang.String[] Goods.tags [(object), (object), (object)]
Instance size: 72 bytes
Space losses: 2 bytes internal + 0 bytes external = 2 bytes total
陣列物件開啟指標壓縮
計算物件大小：
預設是開啟壓縮指標的，類指標和參照物件指標都佔4位元組，推算一下物件大小：
物件頭：8位元組（Markword）+ 4位元組（類指標） + 4位元組（陣列長度）= 16位元組
物件體：4位元組 * 3 = 12位元組
對齊填充：8 -（物件頭+物件體）% 8 = 8 - （16位元組 + 12位元組）% 8= 4位元組
物件大小=物件頭 + 物件體 + 對齊填充 = 16位元組 + 12位元組 + 4位元組 = 32位元組。
public class ObjectLayOut1 {
public static void main(String[] args) {
Goods goods = new Goods();
goods.setAge((short) 10);
goods.setNo(123456);
goods.setId(111L);
goods.setGoodsName("方便麵");
goods.setFlag(true);
goods.setB((byte)1);
goods.setPrice(1.5d);
goods.setProduceTime(LocalDateTime.now());
goods.setType('A');
goods.setWeight(0.065f);
goods.setTags(new String[] {"food", "convenience", "cheap"});
Goods.str = "test";
Goods.temp = 222;
Goods[] goodsArr = new Goods[3];
goodsArr[0] = goods;
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(goodsArr).toPrintable());
}
}
執行看執行結果：
[Lcom.star95.study.jvm.Goods; object internals:
OFF SZ TYPE DESCRIPTION VALUE
0 8 (object header: mark) 0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
8 4 (object header: class) 0x2000c18d
12 4 (array length) 3
16 12 com.star95.study.jvm.Goods Goods;.<elements> N/A
28 4 (object alignment gap)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
陣列物件關閉指標壓縮
計算物件大小：
關閉壓縮指標，類指標和參照物件指標都佔8位元組，推算一下物件大小：
物件頭：8位元組（Markword）+8位元組（類指標） + 4位元組（陣列長度）=20位元組
物件體：8位元組 * 3 = 24位元組
對齊填充：8 -（物件頭+物件體）% 8 = 8 - （20+ 24） % 8 = 4位元組
物件大小=物件頭 + 物件體 + 對齊填充 = 20位元組 + 24位元組 + 4位元組 = 48位元組。
執行時增加JVM引數如下：
-XX:-UseCompressedClassPointers -XX:-UseCompressedOops
public class ObjectLayOut1 {
public static void main(String[] args) {
Goods goods = new Goods();
goods.setAge((short) 10);
goods.setNo(123456);
goods.setId(111L);
goods.setGoodsName("方便麵");
goods.setFlag(true);
goods.setB((byte)1);
goods.setPrice(1.5d);
goods.setProduceTime(LocalDateTime.now());
goods.setType('A');
goods.setWeight(0.065f);
goods.setTags(new String[] {"food", "convenience", "cheap"});
Goods.str = "test";
Goods.temp = 222;
Goods[] goodsArr = new Goods[3];
goodsArr[0] = goods;
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(goodsArr).toPrintable());
}
}
執行看執行結果：
[Lcom.star95.study.jvm.Goods; object internals:
OFF SZ TYPE DESCRIPTION VALUE
0 8 (object header: mark) 0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
8 8 (object header: class) 0x0000000017e04d70
16 4 (array length) 3
20 4 (alignment/padding gap)
24 24 com.star95.study.jvm.Goods Goods;.<elements> N/A
Instance size: 48 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total
通過以上物件分析，我們看到在開啟壓縮指標的情況下，物件的大小會小很多，節省了記憶體空間。
總結
通過以上的分析，基本已經把java物件的結構講清楚了，另外物件佔用記憶體空間大小也計算出來，有助於進行JVM調優分析，64位元的虛擬機器器記憶體在32G以下時預設是開啟壓縮指標的，超過32G自動關閉壓縮指標，主要目的都是為了提高定址效率。
另外，本文是通過JOL工具計算物件佔用空間的大小，不包括參照物件實際佔用的記憶體大小，因為計算時是按參照物件的指標占用空間大小計算的，可能跟其他工具計算的結果不一樣，具體跟工具的計算邏輯有關，比如跟JDK自帶的jvisualvm工具通過堆dump出來看到的物件大小不一樣，感興趣的可自行驗證。