深入理解Java对象结构

一、Java对象结构

实例化一个Java对象之后，该对象在内存中的结构是怎么样的？Java对象（Object实例）结构包括三部分：对象头、对象体和对齐字节，具体下图所示

Java对象结构

1、Java对象的三部分

（1）对象头

对象头包括三个字段，第一个字段叫作Mark Word（标记字），用于存储自身运行时的数据，例如GC标志位、哈希码、锁状态等信息。

第二个字段叫作Class Pointer（类对象指针），用于存放方法区Class对象的地址，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

第三个字段叫作Array Length（数组长度）。如果对象是一个Java数组，那么此字段必须有，用于记录数组长度的数据；如果对象不是一个Java数组，那么此字段不存在，所以这是一个可选字段。

（2）对象体

对象体包含对象的实例变量（成员变量），用于成员属性值，包括父类的成员属性值。这部分内存按4字节对齐。

（3）对齐字节

对齐字节也叫作填充对齐，其作用是用来保证Java对象所占内存字节数为8的倍数HotSpot VM的内存管理要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。对象头本身是8的倍数，当对象的实例变量数据不是8的倍数时，便需要填充数据来保证8字节的对齐。

2、Mark Word的结构信息

Mark Word是对象头中的第一部分，Java内置锁有很多重要的信息都存在这里。Mark Word的位长度为JVM的一个Word大小，也就是说32位JVM的Mark Word为32位，64位JVM为64位。Mark Word的位长度不会受到Oop对象指针压缩选项的影响。

Java内置锁的状态总共有4种，级别由低到高依次为：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。其实在JDK 1.6之前，Java内置锁还是一个重量级锁，是一个效率比较低下的锁，在JDK 1.6之后，JVM为了提高锁的获取与释放效率，对synchronized的实现进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁，从此以后Java内置锁的状态就有了4种（无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁），并且4种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可逆的过程，即不可降级，也就是说只能进行锁升级（从低级别到高级别）。以下是64位的Mark Word在不同的锁状态下的结构信息：

64位Mark Word的结构信息

由于目前主流的JVM都是64位，因此我们使用64位的Mark Word。接下来对64位的Mark Word中各部分的内容进行具体介绍。

（1）lock：锁状态标记位，占两个二进制位，由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息，因此设置了lock标记。该标记的值不同，整个Mark Word表示的含义就不同。

（2）biased_lock：对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。

lock和biased_lock两个标记位组合在一起共同表示Object实例处于什么样的锁状态。二者组合的含义具体如下表所示

image-20240919171225689

（3）age：4位的Java对象分代年龄。在GC中，对象在Survivor区复制一次，年龄就增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位，因此最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。

（4）identity_hashcode：31位的对象标识HashCode（哈希码）采用延迟加载技术，当调用Object.hashCode()方法或者System.identityHashCode()方法计算对象的HashCode后，其结果将被写到该对象头中。当对象被锁定时，该值会移动到Monitor（监视器）中。

（5）thread：54位的线程ID值为持有偏向锁的线程ID。

（6）epoch：偏向时间戳。

（7）ptr_to_lock_record：占62位，在轻量级锁的状态下指向栈帧中锁记录的指针。

二、使用JOL工具查看对象的布局

1、JOL工具的使用

JOL工具是一个jar包，使用它提供的工具类可以轻松解析出运行时java对象在内存中的结构，使用时首先需要引入maven GAV信息

<!--Java Object Layout -->
<dependency><groupId>org.openjdk.jol</groupId><artifactId>jol-core</artifactId><version>0.17</version>
</dependency>

当前最新版本是0.17版本，据观察，它和0.15之前（不包含0.15）的版本输出信息差异比较大，而普遍现在使用的版本都比较低，但是不妨碍在这里使用该工具做实验。

jol-core 常用的几个方法

  • ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()：查看对象内部信息.
  • GraphLayout.parseInstance(object).toPrintable()：查看对象外部信息，包括引用的对象.
  • GraphLayout.parseInstance(object).totalSize()：查看对象总大小.
  • VM.current().details()：输出当前虚拟机信息

首先创建一个简单的类Hello

public class Hello {private Integer a = 1;   
}

接下来写一个启动类测试下

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;/*** @author kdyzm* @date 2024/9/19*/
@Slf4j
public class JalTest {public static void main(String[] args) {log.info(VM.current().details());Hello hello = new Hello();log.info("hello obj status:{}", ClassLayout.parseInstance(hello).toPrintable());}
}

输出结果：

image-20240920092758780

2、结果分析

在代码中，首先使用了VM.current().details() 方法获取到了当前java虚拟机的相关信息：

  • VM mode: 64 bits - 表示当前虚拟机是64位虚拟机

  • Compressed references (oops): 3-bit shift - 开启了对象指针压缩，在64位的Java虚拟机上，对象指针通常需要占用8字节（64位），但通过使用压缩指针技术，可以减少对象指针的占用空间，提高内存利用率。"3-bit shift" 意味着使用3位的位移操作来对对象指针进行压缩。通过将对象指针右移3位，可以消除指针中的一些无用位，从而减少对象指针的实际大小，使其占用更少的内存。

  • Compressed class pointers: 3-bit shift - 开启了类指针压缩，其余同上。

  • Object alignment: 8 bytes - 字节对齐使用8字节

image-20240920101332652

这部分输出表示引用类型、boolean、byte、char、short、int、float、long、double类型的数据所占的字节数大小以及在数组中的大小和偏移量。

需要注意的是数组偏移量的概念，数组偏移量的数值其实就是对象头的大小，在上图中的16字节表示如果当前对象是数组，那对象头就是16字节，不要忘了，对象头中还有数组长度，在未开启对象指针压缩的情况下，它要占据4字节大小。

接下来是对象结构的输出分析。

三、对象结构输出解析

先回顾下对象结构

Java对象结构

再来回顾下对象结构输出结果

image-20240920103046465

  • OFF：偏移量，单位字节

  • SZ：大小，单位字节

  • TYPE DESCRIPTION：类型描述，这里显示的比较直观，甚至可以看到是对象头的哪一部分

  • VALUE：值，使用十六进制字符串表示，注意一个字节是8bit，占据两个16进制字符串，JOL0.15版本之前是小端序展示，0.15（包含0.15）版本之后使用大端序展示。

    1、Mark Word解析

image-20240920104856901

因为当前虚拟机是64位的虚拟机，所以Mark Word在对象头中占据8字节，也就是64位。它不受指针压缩的影响，占据内存大小只和当前虚拟机有关系。

当前的值是十六进制数值：0x0000000000000001，为了好看点，将它按照字节分割开：00 00 00 00 00 00 00 01，然后，来回顾下mark workd的内存结构：

64位Mark Word的结构信息

最后一个字节是十六进制的01，转化为二进制数，就是00000001，那倒数三个bit就是001，偏向锁标志位biased是0，lock标志位是01，对应的是无锁状态下的mark word数据结构。

2、Class Pointer 解析

image-20240920110627257

该字段在64位虚拟机下开启指针压缩占据4字节，未开启指针压缩占据8字节，它指向方法区的内存地址，即Class对象所在的位置。

3、对象体解析

image-20240920111056379

Hello类只有一个Integer类型的变量a，它在64位虚拟机下开启指针压缩占据4字节，未开启指针压缩占据8字节大小。需要注意的是，这里的8字节存储的是Integer对象指针大小，而非int类型的数值所占内存大小。

四、不同条件下的对象结构变化

1、Mark Word中的hashCode

在无锁状态下，对象头中的mark word字段有31bit是用于存放hashCode的值的，但是在之前的打印输出中，hashCode全是0，这是为什么？

64位Mark Word的结构信息

想要hashCode的值能够在mark word中展示，需要满足两个条件：

  1. 目标类不能重写hashCode方法
  2. 目标对象需要调用hashCode方法生成hashCode

上面的实验中，Hello类很简单

public class Hello {private Integer a = 1;   
}

没有重写hashCode方法，使用JOL工具分析没有看到hashCode值，是因为没有调用hashCode()方法生成hashCode值

接下来改下启动类，调用下hashCode方法，重新输出解析结果

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;/*** @author kdyzm* @date 2024/9/19*/
@Slf4j
public class JalTest {public static void main(String[] args) {log.info(VM.current().details());Hello hello = new Hello();hello.hashCode();log.info("hello obj status:{}", ClassLayout.parseInstance(hello).toPrintable());}
}

输出结果

image-20240920132209032

可以看到，Mark Word中已经有了hashCode的值。

2、字节对齐

从JOL输出上来看，使用的是8字节对齐，而对象正好是16字节，是8的整数倍，所以并没有使用字节对齐，为了能看到字节对齐的效果，再给Hello类新增一个成员变量Integer b = 2，已知一个整型变量在这里占用4字节大小空间，对象大小会变成20字节，那就不是8的整数倍，会有4字节的对齐字节填充，改下Hello类

public class Hello {private Integer a = 1;private Integer b = 2;
}

然后运行启动类

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;/*** @author kdyzm* @date 2024/9/19*/
@Slf4j
public class JalTest {public static void main(String[] args) {log.info(VM.current().details());Hello hello = new Hello();hello.hashCode();log.info("hello obj status:{}", ClassLayout.parseInstance(hello).toPrintable());}
}

运行结果：

image-20240920133520395

果然，为了对齐8字节，多了4字节的填充，整个对象实例大小变成了24字节。

3、数组类型的对象结构

数组类型的对象和普通的对象肯定不一样，甚至在对象头中专门有个“数组长度”来记录数组的长度。改变下启动类，看看Integer数组的对象结构

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;/*** @author kdyzm* @date 2024/9/19*/
@Slf4j
public class JalTest {public static void main(String[] args) {log.info(VM.current().details());Integer[] a = new Integer[]{1, 2, 3};a.hashCode();log.info("hello obj status:{}", ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());}
}

输出结果

image-20240920134321859

标红部分相对于普通的对象，数组对象多了个数组长度的字段；而且接下来3个整数，共占据了12字节大小的内存空间。

再仔细看看，加上数组长度部分，对象头部分一共占据了16字节大小的空间，这个和上面的Array base offsets的大小一致，这是因为要想访问到真正的对象值，从对象开始要经过16字节的对象头才能读取到对象，这16字节也就是每个元素读取的“偏移量”了。

4、指针压缩

开启指针压缩： -XX:+UseCompressedOops

关闭指针压缩： -XX:-UseCompressedOops

在Intelij中，在下图中的VM Options中添加该参数即可

image-20240920140730247

需要注意的是，指针压缩在java8及以后的版本中是默认开启的。

接下来看看指针压缩在开启和没开启的情况下，相同的解析代码打印出来的结果

代码：

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;/*** @author kdyzm* @date 2024/9/19*/
@Slf4j
public class JalTest {public static void main(String[] args) {log.info("\n{}",VM.current().details());Integer[] a = new Integer[]{1, 2, 3};a.hashCode();log.info("hello obj status:\n{}", ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());}
}

开启指针压缩的解析结果：

image-20240920141222851

未开启指针压缩的结果：

image-20240920141306194

以开启指针压缩后的结果为基础，观察下未开启指针压缩的结果

image-20240920142324117

需要注意的是这里的Integer[]数组里面都是Integer对象，而非int类型的数值，它是Integer基本类型包装类的实例，这里的数组内存地址中存储的是每个Integer对象的指针引用，从输出的VM信息的对照表中，“ref”类型占据8字节，所以才是3*8为24字节大小。

可以看到，开启指针压缩以后，会产生两个影响

  1. 对象引用类型会从8字节变成4字节
  2. 对象头中的Class Pointer类型会从8字节变成4字节

确实能节省空间。

五、扩展阅读

1、大端序和小端序

大端序（Big Endian）和小端序（Little Endian）是两种不同的存储数据的方式，特别是在多字节数据类型（比如整数）在计算机内存中的存储顺序方面有所体现。

  • 大端序（Big Endian）：在大端序中，数据的高位字节存储在低地址，而低位字节存储在高地址。类比于数字的书写方式，高位数字在左边，低位数字在右边。因此，数据的最高有效字节（Most Significant Byte，MSB）存储在最低的地址处。
  • 小端序（Little Endian）：相反地，在小端序中，数据的低位字节存储在低地址，而高位字节存储在高地址。这种方式与我们阅读数字的顺序一致，即从低位到高位。因此，数据的最低有效字节（Least Significant Byte，LSB）存储在最低的地址处。

这两种存储方式可以用一个简单的例子来说明：

假设要存储一个 4 字节的整数 0x12345678：

  • 在大端序中，存储顺序为 12 34 56 78。
  • 在小端序中，存储顺序为 78 56 34 12。

2、老版本的JOL

老版本的JOL（0.15之前）输出的值是小端序的，可以做个实验，将maven坐标改成0.14版本

<!--Java Object Layout -->
<dependency><groupId>org.openjdk.jol</groupId><artifactId>jol-core</artifactId><version>0.14</version>
</dependency>

同时要引入新的工具类

<dependency><groupId>cn.hutool</groupId><artifactId>hutool-all</artifactId><version>5.8.32</version>
</dependency>

然后修改Hello类

import cn.hutool.core.util.ByteUtil;
import cn.hutool.core.util.HexUtil;/*** @author kdyzm* @date 2024/9/19*/
public class Hello {private int a = 1;private int b = 2;public String hexHash() {//对象的原始 hashCode，Java默认为大端模式int hashCode = this.hashCode();//转成小端模式的字节数组byte[] hashCode_LE = ByteUtil.intToBytes(hashCode, ByteOrder.LITTLE_ENDIAN);//转成十六进制形式的字符串return HexUtil.encodeHexStr(hashCode_LE);}
}

启动类：

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;/*** @author kdyzm* @date 2024/9/19*/
@Slf4j
public class JalTest {public static void main(String[] args) {log.info("\n{}", VM.current().details());Hello hello = new Hello();log.info("算的十六进制hashCode：{}", hello.hexHash());log.info("JOL解析工具输出对象结构:{}", ClassLayout.parseInstance(hello).toPrintable());}
}

输出结果：

image-20240920151446421

先不管老版本的输出和新版本的差异性，总之可以看到小端序手动算的hashCode和jol解析得到的hashCode是一致的，说明老版本的jol（0.15之前）输出是小端序的，对应我们的Mark Word图例来看

64位Mark Word的结构信息

我们的图例是按照大端序来画的，所以老版本的输出第一个字节01才是Mark Word上述图例的最后一个字节。

代码不变，改变JOL版本号为0.15

<!--Java Object Layout -->
<dependency><groupId>org.openjdk.jol</groupId><artifactId>jol-core</artifactId><version>0.15</version>
</dependency>

运行结果如下

image-20240920151945745

可以看到手动计算的hashCode和jol解析的hashCode字节码颠倒过来了，也就是说，从0.15版本号开始，jol的输出变成了大端序输出了。

3、hutool的bug

上面的代码中有用到hutool工具类计算hashCode值的十六进制字符串，一开始我引入的依赖是这样的

<dependency><groupId>cn.hutool</groupId><artifactId>hutool-all</artifactId><version>5.7.3</version>
</dependency>

其中有个很重要的int类型转换字节数组的方法：cn.hutool.core.util.ByteUtil#intToBytes(int, java.nio.ByteOrder)

源代码这样子：

image-20240920152601176

很明显的bug，它判断了小端序标志，但是却返回了大端序的字节数组，不出意外的，我的代码运行的有矛盾。。所以我专门去gitee上看了下，发现它的master代码已经发生了变化

image-20240920152920125

没错，它master代码已经修复了。。找了找commit，发现了这个

image-20240920153048975

对应的COMMIT记录链接：https://gitee.com/dromara/hutool/commit/d4a7ddac3b30db516aec752562cae3436a4877c0

image-20240920153256248

还被人吐槽了，哈哈哈，引入5.8.32版本就解决了

<dependency><groupId>cn.hutool</groupId><artifactId>hutool-all</artifactId><version>5.8.32</version>
</dependency>


END.



参考文档

《Java高并发核心编程 卷2:多线程、锁、JMM、JUC、高并发设计模式》

Java对象的内存布局

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