Java对象的内存布局

1 前言

新建对象的方式：

• Object.clone，反序列化直接复制已有数据，初始化新建对象的实例字段
• Unsafe.allocateInstance没有初始化实例字段
• new
• 反射new和反射机制，都是通过调用构造器来初始化实例字段

如new编译而成的字节码包含：

• 请求内存的new指令
• 调用构造器的invokespecial指令

若一个类未定义任何构造器， 则Java编译器会自动添加一个无参构造器：

但子类构造器需调用父类构造器：

• 若父类存在无参构造器，该调用可以是隐式，即Java编译器会自动添加对父类构造器的调用
• 若父类没有无参构造器，则子类构造器需显式调用父类带参构造器

显式调用又可分为：

• super关键字调用父类构造器
• this关键字调用同一类中的其它构造器

都要作为构造器的第一条语句，以优先初始化继承得的父类字段。（但这也能通过调用其他生成参数的方法或字节码注入来绕开）

调用一个构造器时，优先调用父类构造器，直至Object类。这些构造器的调用者皆为同一对象，即通过new指令新建而来的对象。通过new指令新建的对象，其内存含所有父类实例字段。虽子类无法访问父类private实例字段或子类的实例字段隐藏了父类的同名实例字段，但子类实例还是会为这些父类实例字段分配内存。

那这些字段在内存如何分布的呢？

2 压缩指针

JVM，每个Java对象都有对象头（object header），由标记字段和类型指针构成：

• 标记字段，存储JVM有关该对象的运行数据，如哈希码、GC信息及锁信息
• 类型指针，指向该对象的类

64位JVM，对象头的标记字段占64位，类型指针又占64位。每个Java对象在内存中额外开销就是16字节。Integer类仅有一个int类型私有字段，占4字节。因此，每个Integer对象额外内存开销至少400%。这也是引入基本类型的原因之一。

为降低对象内存使用量，64位JVM引入压缩指针[1]（对应虚拟机选项-XX:+UseCompressedOops，默认开启），将堆中原本64位的Java对象指针压缩成32位。

这样，对象头中的类型指针也会被压缩成32位，使对象头大小从16字节降至12字节。

2.1 作用范围

• 对象头的类型指针
• 引用类型的字段
• 引用类型数组

2.2 原理

路上全是房车，而且每辆房车恰好占据两个停车位。按序编号，停在0号和1号停车位上的叫0号车，停在2号和3号停车位上的叫1号车，依次类推。

原本内存寻址用车位号。如我有一个值为6的指针，代表第6车位，沿这指针可找到3号车。

规定指针里存的值是车号，如3指代3号车。当查找3号，可将该指针值乘2，再沿着6号车位找到3号车。

这样32位压缩指针最多可标记2的32次方辆车，对应着2的33次方个车位。房车也有大小之分。大房车占据车位可能是三个甚至是更多。不过这并不会影响寻址算法：只需跳过部分车号，便可保持原本车号*2的寻址系统。

上述模型有一个前提，就是每辆车都从偶数号车位停起。这称为内存对齐（对应虚拟机选项-XX:ObjectAlignmentInBytes，默认值为8）。

默认Java虚拟机堆中对象起始地址需对齐至8倍数。如一个对象用不到8N字节，那空白部分空间就浪费了。这些浪费的空间称为对象间的填充（padding）。

默认Java虚拟机中32位压缩指针可寻址到2的35次方个字节，即32GB地址空间（超过32GB则会关闭压缩指针）。

在对压缩指针解引用时，需将其左移3位，再加上一个固定偏移量，便可得到能寻址32GB地址空间的伪64位指针。

可通过配置刚提到的内存对齐选项（-XX:ObjectAlignmentInBytes）进步提升寻址范围。但是，这同时也可能增加对象间填充，导致压缩指针没有达到原本节省空间的效果。

举例来说，如规定每辆车都需从偶数车位号停起，那占据两个车位的小房车刚好，而对需三个车位的大房车仅是浪费一个车位。

但如规定需从4倍数号车位停起，那小房车则会浪费两车位，而大房车至多可能浪费三车位。

就算关闭压缩指针，Java虚拟机还是会进行内存对齐。内存对齐不仅存在于对象与对象间，也存在对象中的字段间。比如说，Java虚拟机要求long字段、double字段及非压缩指针状态下的引用字段地址为8的倍数。

字段内存对齐的其中一个原因是让字段只出现在同一CPU的缓存行。如字段不对齐，可能出现跨缓存行的字段，即该字段的读取可能需替换两个缓存行，而该字段的存储也会同时污染两个缓存行。这对程序执行效率都不好。

3 字段重排列

JVM重新分配字段先后顺序，以达到内存对齐。Java虚拟机中有三种排列方法（对应Java虚拟机选项-XX:FieldsAllocationStyle，默认值为1），但都遵循如下规则：

• 如一个字段占C个字节，那该字段偏移量需对齐至NC偏移量指字段地址与对象的起始地址差值。long类仅有一个long类型实例字段。在使用压缩指针的64位虚拟机，尽管对象头12字节，该long类型字段的偏移量也只能是16，而中间空着的4字节便会被浪费掉。
• 子类所继承字段的偏移量，要与父类对应字段的偏移量保持一致

JVM还会对齐子类字段的起始位置：

• 使用压缩指针的64位虚拟机，子类第一个字段需对齐至4N
• 关闭压缩指针的64位虚拟机，子类第一个字段需对齐至8N

两个类A和B，其中B继承A。A和B各自定义一个long类型的实例字段和一个int类型实例字段。

B类在启用压缩指针和未启用压缩指针时，各字段偏移量：

启用压缩指针，JVM将A类int字段置于long字段前，以填充因long字段对齐造成的4字节缺口。由于对象整体大小需对齐至8N，因此对象最后会有4字节空白填充。

当关闭压缩指针时，B类字段起始位置需对齐至8N。那B类字段前后各有4字节空白。

Java 8还引入新注释@Contended，解决对象字段之间的虚共享（false sharing）问题[2]。也影响字段排列。

4 虚共享

假设两线程分别访问同一对象中不同的volatile字段，逻辑上无共享内容，因此无需同步。但若这俩字段恰在同一缓存行，则对这些字段写操作会导致缓存行的写回，即造成了实质上的共享。

Java虚拟机会让不同@Contended字段处于独立缓存行，因此大量空间被浪费。可查阅Contended字段的内存布局。注意使用虚拟机选项-XX:-RestrictContended。

5 总结

本文介绍JVM构造对象的方式，所构造对象的大小，以及对象的内存布局。

new语句会被编译为new指令及对构造器调用。每个类的构造器都会直接或者间接调用父类构造器，且在同一实例中初始化相应字段。

JVM引入压缩指针，将原本64位指针压缩成32位。压缩指针要求JVM堆中对象的起始地址要对齐至8倍数，还会对每个类的字段进行重排列，使得字段也内存对齐。

使用JOL工具打印你工程中的类的字段分布：

 curl -L -O http://central.maven.org/maven2/org/openjdk/jol/jol-cli/0.9/jol-cli-0.9-full.jar
 java -cp jol-cli-0.9-full.jar org.openjdk.jol.Main internals java.lang.String

[1] https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/CompressedOops

[2] http://openjdk.java.net/jeps/142