【JUC进阶】03. Java对象头和内存布局

1、前言

为了后面更好的学习锁优化以及运作过程，需要我们对HotSpot虚拟机的Java对象内存布局有一定的了解，也作为技术储备。

2、对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在堆内存中存储的布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）、对齐填充（Padding）。

而数组对象和普通对象的内存布局存在差异，数组对象相比之前多了数组长度部分。

2.1、对象头（Header）

HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息：

1. 标记字段（Mark Word）。用于存储对象自身的运行时数据，如HashCode（哈希码）、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。
2. Class对象指针（Class Pointer）。对象指向它的类型元数据的指针，JVM通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

2.1.1、Mark Word

通常对象需要存储的运行时数据很多，实已经超出了32、64位Bitmap 结构所能记录的最大限度，但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word 被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。

例如在32位的 HotSpot 虚拟机中，如对象未被同步锁锁定的状态下Mark Word的32bit存储空间中的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（表示未进入偏向模式）。对象除了未被锁定的正常状态外，还有轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向等几种状态。

详细展开：

2.1.2、Class对象指针

对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java 虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。

此外，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，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。

以下从虚拟机标记布局简单说明：

32位JVM标记位布局：  
Address: 0x1000    
| Offset | Size | Description | Values |    
| :--: | :--: | :--: | :--: |    
| 0x0 | 8 bits | Mark Word | 1 bit: biased lock; 2 bits: lock state; 5 bits: heap word index |    
  
64位JVM标记位布局：  
Address: 0x1000    
| Offset | Size | Description | Values |    
| :--: | :--: | :--: | :--: |    
| 0x0 | 16 bits | Mark Word | 1 bit: biased lock; 2 bits: lock state; 13 bits: heap word index |

在标记位中：

• biased lock 表示对象是否处于偏态锁（biased lock）状态，如果 biased lock 为真，则表示对象未被锁定，且偏向器（bias initiator）进程 ID 为真。
• lock state 表示对象锁的状态，如果 lock state 为 0，则表示对象未被锁定；如果 lock state 为 1，则表示对象被一个线程锁定；如果 lock state 为 2，则表示对象被多个线程锁定。
• heap word index 表示标记位在对象头中的位置，即对象头的前面有多少个字（heap word）才到达对象的内存地址。由于 JVM 使用复制算法（copying algorithm）来管理堆（heap），因此 heap word index 对于垃圾回收非常有用。

2.2、实例数据（Instance Data）

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面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字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数(-XX:FieldsAllocationStyle 参数)和字段在Java 源码中定义顺序的影响。

HotSpot 虚拟机默认的分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops ( Ordinary Object Pointers，OOPs)，从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。

如果HotSpot 虚拟机的+XX:CompactFields 参数值为 true(默认就为 true)，那子类之中较窄的变量也允许插人父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。

2.3、对齐填充（Padding）

对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot 虚拟机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，换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是 8字节的倍数(1倍或者2倍)，因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。