深入理解 Java 对象的内存布局

对于 Java 虚拟机,我们都知道其内存区域划分成:堆、方法区、虚拟机栈等区域。但一个对象在 Java 虚拟机中是怎样存储的,相信很少人会比较清楚地了解。Java 对象在 JVM 中的内存布局,是我们了解并发编程同步机制的基础。

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)和对齐填充(Padding)。

对象头

HotSpot 虚拟机的对象头包括两部分信息,第一部分用于存储自身运行时的数据,第二部分用于存储类型指针。

自身运行时数据

对象头第一部分用于存储对象自身的运行时数据,如哈希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机中分别为 32bit 和 64bit,官方称它为「Mark Word」。

为了提高虚拟机的空间效率,Mark Word 被设计成非固定的数据结构,从而可以在不同状态时存储不同的数据,从而达到节省数据空间的目的。Mark Word 在不同状态下存储的内容如下表格所示。

Java对象的内存布局

如上表所示,在 32 位的 HotSpot 虚拟机中,如果对象处于未被锁定(标志位为 01)的状态下,那么 Mark Word 存储的就是「对象哈希码、对象分代年龄」。32bit 空间中的 25bit 用于存储对象哈希码,4bit 用于存储对象分代年龄,2bit 用于存储锁标志位,1bit 固定为 0。

类型指针

对象头第二部分是类型指针,即对象指向它的类元数据的指针,虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。 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。

实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息,包括了程序里各个类型的字段类型,无论是父类继承下来的,还是子类中定义的。一般来说,父类定义的变量总会出现在子类之前。

对齐填充

对象填充部分并不是必然存在的,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。

总结

本篇文章我们介绍了 Java 对象在 JVM 中的内存布局,整体可以分为:对象头、实例数据、对齐填充三个部分。

第一部分的对象头包括了对象运行时数据和类型指针。其中对象运行时数据包括:哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等,类型指针指向对象类型元数据,确定对象是哪个类的实例。第二部分是实例数据,是真正存储的有效信息,包括各个类型的字段。第三部分是对齐填充,因为 JVM 要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍,所以必须有对齐填充来占位。

深入理解 Java 对象的内存布局

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