[JVM]深入java对象结构

先转载一篇文章作为开头，因为讲的非常详细，我就简单加工下放到这里：

对象结构

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）。下图是普通对象实例与数组对象实例的数据结构：

(Header)对象头

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息：

1. MarkWord
   第一部分markword,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（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit，官方称它为“MarkWord”。
2. klass
   对象头的另外一部分是klass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.
3. 数组长度（只有数组对象有）
   如果对象是一个数组, 那在对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度.

(InstanceData)实例数据

   Longs doubles shorts/charts

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。

(Padding)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。

对象大小计算

要点
1. 在32位系统下，存放Class指针的空间大小是4字节，MarkWord是4字节，对象头为8字节。
2. 在64位系统下，存放Class指针的空间大小是8字节，MarkWord是8字节，对象头为16字节。
3. 64位开启指针压缩的情况下，存放Class指针的空间大小是4字节，MarkWord是8字节，对象头为12字节。 数组长度4字节+数组对象头8字节(对象引用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）)+对齐4=16字节。
4. 静态属性不算在对象大小内。

以上内容转载自http://blog.csdn.net/lihuifeng/article/details/51681146

补充：

HotSpot对象模型

HotSpot中采用了OOP-Klass模型，它是描述Java对象实例的模型，它分为两部分：

• 类被加载到内存时，就被封装成了klass，klass包含类的元数据信息，像类的方法、常量池这些信息都是存在klass里的，你可以认为它是java里面的java.lang.Class对象，记录了类的全部信息；
• OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通对象指针，它包含MarkWord 和元数据指针，MarkWord用来存储当前指针指向的对象运行时的一些状态数据；元数据指针则指向klass,用来告诉你当前指针指向的对象是什么类型，也就是使用哪个类来创建出来的；
• 
  那么为何要设计这样一个一分为二的对象模型呢？这是因为HotSopt JVM的设计者不想让每个对象中都含有一个vtable（虚函数表），所以就把对象模型拆成klass和oop，其中oop中不含有任何虚函数，而klass就含有虚函数表，可以进行method dispatch。

HotSpot中，OOP-Klass实现的代码都在/hotspot/src/share/vm/oops/路径下，oop的实现为instanceOop 和 arrayOop，他们来描述对象头，其中arrayOop对象用于描述数组类型。

以下就是oop.hhp文件中oopDesc的源码，可以看到两个变量_mark就是MarkWord，_metadata就是元数据指针，指向klass对象，这个指针压缩的是32位，未压缩的是64位；

  volatile markOop _mark;  //标识运行时数据
  union _metadata {
    Klass*      _klass;
    narrowKlass _compressed_klass;
  } _metadata;  //klass指针

一个Java对象在内存中的布局可以连续分成两部分：instanceOop（继承自oop.hpp）和实例数据；

上图可以看到，通过栈帧中的对象引用reference找到Java堆中的对象，再通过对象的instanceOop中的元数据指针klass来找到方法区中的instanceKlass，从而确定该对象的类型。

下面来分析一下，执行new A()的时候，JVM 做了什么工作。首先，如果这个类没有被加载过，JVM就会进行类的加载，并在JVM内部创建一个instanceKlass对象表示这个类的运行时元数据（相当于Java层的Class对象）。初始化对象的时候（执行invokespecial A::），JVM就会创建一个instanceOopDesc对象表示这个对象的实例，然后进行Mark Word的填充，将元数据指针指向Klass对象，并填充实例变量。

元数据—— instanceKlass 对象会存在元空间（方法区），而对象实例—— instanceOopDesc 会存在Java堆。Java虚拟机栈中会存有这个对象实例的引用。

成员变量重排序

为了提高性能，每个对象的起始地址都对齐于8字节，当封装对象的时候为了高效率，对象字段声明的顺序会被重排序成下列基于字节大小的顺序：

1. double (8字节) 和 long (8字节)
2. int (4字节) 和 float (4字节)
3. short (2字节) 和 char (2字节)：char在java中是2个字节。java采用unicode，2个字节（16位）来表示一个字符。
4. boolean (1字节) 和 byte (1字节)
5. reference引用 (4/8 字节)
6. <子类字段重复上述顺序>

子类字段重复上述顺序。
我们可以测试一下java对不同类型的重排序，使用jdk1.8，采用反射的方式先获取到unsafe类，然后获取到每个field在类里面的偏移地址，就能看出来了
测试代码如下：

import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Contended;
import sun.misc.Unsafe;

public class TypeSequence {


    @Contended
    private boolean contended_boolean;

    private volatile byte a;
    private volatile boolean b;

    @Contended
    private int contended_short;

    private volatile char d;
    private volatile short c;



    private volatile int e;
    private volatile float f;

    @Contended
    private int contended_int;

    @Contended
    private double contended_double;

    private volatile double g;
    private volatile long h;

    public static  Unsafe UNSAFE;

    static {
            try {
                @SuppressWarnings("ALL")
                Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
                theUnsafe.setAccessible(true);
                UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
    }

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, SecurityException{
        System.out.println("e:int    \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("e")));
        System.out.println("g:double \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("g")));
        System.out.println("h:long   \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("h")));
        System.out.println("f:float  \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("f")));
        System.out.println("c:short  \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("c")));
        System.out.println("d:char   \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("d")));
        System.out.println("a:byte   \t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("a")));
        System.out.println("b:boolean\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("b")));


        System.out.println("contended_boolean:boolean\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_boolean")));
        System.out.println("contended_short:short\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_short")));
        System.out.println("contended_int:int\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_int")));
        System.out.println("contended_double:double\t"+UNSAFE.objectFieldOffset(TypeSequence.class.getDeclaredField("contended_double")));
    }

}

以上代码运行结果如下

e:int       12
g:double    16
h:long      24
f:float     32
c:short     38
d:char      36
a:byte      40
b:boolean   41
contended_boolean:boolean   170
contended_short:short   300
contended_int:int   432
contended_double:double 568

除了int字段跑到了前面来了，还有两个添加了contended注解的字段外，其它字段都是按照重排序的顺序，类型由最长到最短的顺序排序的；

对象头对成员变量排序的影响

有的童鞋疑惑了，为啥int跑到前面来了呢？这是因为int字段被提升到前面填充对象头了，对象头有12个字节，会优先在字段中选择一个或多个能够将对象头填充为16个字节的field放到前面，如果填充不满，就加上padding，上面的例子加上一个4字节的int，正好是16字节，地址按8字节对齐；

扩展contended对成员变量排序的影响

那么contended注解呢？这个注解是为了解决cpu缓存行伪共享问题的，cpu缓存伪共享是并发编程性能杀手，不知道什么是伪共享的可以查看我前面写的LongAdder类的源码解读 或者《java 中的锁 – 偏向锁、轻量级锁、自旋锁、重量级锁》这篇文章都有讲到，加了contended注解的字段会按照声明的顺序放到末尾，contended注解如果是用在类的field上会在该field前面插入128字节的padding，如果是用在类上则会在类所有field的前后都加上128字节的padding。