JAVA对象布局之对象头(Object Header)

原创 iTengyu java宝典

由于Java面向对象的思想，在JVM中需要大量存储对象，存储时为了实现一些额外的功能，需要在对象中添加一些标记字段用于增强对象功能。在学习并发编程知识synchronized时，我们总是难以理解其实现原理，因为偏向锁、轻量级锁、重量级锁都涉及到对象头，所以了解java对象头是我们深入了解synchronized的前提条件,以下我们使用64位JDK示例

1.对象布局的总体结构

2.获取一个对象布局实例

1.首先在maven项目中引入查看对象布局的神器

        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.9</version>
        </dependency>

2.调用ClassLayout.parseInstance().toPrintable()

public class Main{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        L l = new L();  //new 一个对象 
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(l).toPrintable());//输出 l对象 的布局
    }
}
//对象类
class L{
    private boolean myboolean = true;
}

运行后输出:

 OFFSET  SIZE      TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4           (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4           (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4           (object header)                           f0 e4 2c 11 (11110000 11100100 00101100 00010001) (288154864)
     12     4           (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
     16     1   boolean L.myboolean                               true
     17     7           (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 7 bytes external = 7 bytes total

对象头所占用的内存大小为16*8bit=128bit。如果大家自己动手去打印输出，可能得到的结果是96bit，这是因为我关闭了指针压缩。jdk8版本是默认开启指针压缩的，可以通过配置vm参数关闭指针压缩。关于更多压缩指针访问JAVA文档:官网

关闭指针压缩        -XX:-UseCompressedOops

开启指针压缩之后，再看对象的内存布局:

 OFFSET  SIZE      TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4           (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4           (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4           (object header)                           43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
     12     1   boolean L.myboolean                               true
     13     3           (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total

OFFSET：偏移地址，单位字节；
SIZE：占用的内存大小，单位为字节；
TYPE DESCRIPTION：类型描述，其中object header为对象头；
VALUE：对应内存中当前存储的值；

开启指针压缩可以减少对象的内存使用。因此，开启指针压缩，理论上来讲，大约能节省百分之五十的内存。jdk8及以后版本已经默认开启指针压缩，无需配置。

普通的对象获取到的对象头结构为:

|--------------------------------------------------------------|
|                     Object Header (128 bits)                 |
|------------------------------------|-------------------------|
|        Mark Word (64 bits)         | Klass pointer (64 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|

普通对象压缩后获取结构:

|--------------------------------------------------------------|
|                     Object Header (96 bits)                  |
|------------------------------------|-------------------------|
|        Mark Word (64 bits)         | Klass pointer (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|

数组对象获取到的对象头结构为:

|---------------------------------------------------------------------------------|
|                                 Object Header (128 bits)                        |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
|        Mark Word(64bits)       | Klass pointer(32bits) |  array length(32bits)  |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|

 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
     12     4        (object header)                           05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
     16    20    int [I.<elements>                             N/A
     36     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 40 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

3.对象头的组成

我们先了解一下，一个JAVA对象的存储结构。在Hotspot虚拟机中，对象在内存中的存储布局分为 3 块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）在我们刚刚打印的结果中可以这样归类:

 OFFSET  SIZE      TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4           (object header)    //markword             01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4           (object header)    //markword             00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4           (object header)   //klass pointer 类元数据 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
     12     1   boolean L.myboolean                               true    // Instance Data 对象实际的数据
     13     3           (loss due to the next object alignment)            //Padding 对齐填充数据

1.Mark Word

这部分主要用来存储对象自身的运行时数据，如hashcode、gc分代年龄等。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。为了让一个字大小存储更多的信息，JVM将字的最低两个位设置为标记位，不同标记位下的Mark Word示意如下：

其中各部分的含义如下：lock:2位的锁状态标记位，由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息，所以设置了lock标记。该标记的值不同，整个mark word表示的含义不同。通过倒数三位数我们可以判断出锁的类型

enum {  locked_value                 = 0, // 0 00 轻量级锁
         unlocked_value           = 1,// 0 01 无锁
         monitor_value            = 2,// 0 10 重量级锁
         marked_value             = 3,// 0 11 gc标志
         biased_lock_pattern      = 5 // 1 01 偏向锁
  };

通过内存信息分析锁状态

写一个synchronized加锁的demo分析锁状态接着，我们再看一下，使用synchronized加锁情况下对象的内存信息，通过对象头分析锁状态。

代码:

public class Main{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        L l = new L();
        Runnable RUNNABLE = () -> {
            while (!Thread.interrupted()) {
                synchronized (l) {
                    String SPLITE_STR = "===========================================";
                    System.out.println(SPLITE_STR);
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(l).toPrintable());
                    System.out.println(SPLITE_STR);
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(RUNNABLE).start();
        }
    }
}

class L{
    private boolean myboolean = true;
}

输出:

===========================================
 OFFSET  SIZE      TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4           (object header)                           5a 97 02 c1 (01011010 10010111 00000010 11000001) (-1056794790)
      4     4           (object header)                           d7 7f 00 00 (11010111 01111111 00000000 00000000) (32727)
      8     4           (object header)                           43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
     12     1   boolean L.myboolean                               true
     13     3           (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total

===========================================

Mark Word为0X00007FD7C102975A 对应的2进制为: 0xb00000000 00000000 01111111 11010111 11000001 00000010 10010111 01011010 我们可以看到在第一行object header中 value=5a 对应的2进制为01011010 倒数第三位为0表示不是偏量锁,后两位为10表示为重量锁

enum {  locked_value                 = 0, // 0 00 轻量级锁
         unlocked_value           = 1,// 0 01 无锁
         monitor_value            = 2,// 0 10 重量级锁
         marked_value             = 3,// 0 11 gc标志
         biased_lock_pattern      = 5 // 1 01 偏向锁
  };

例子2:

public class Main{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        L l = new L();
        synchronized (l) {
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(l).toPrintable());
            Thread.sleep(1000);
        }     //轻量锁
    }
}

class L{
    private boolean myboolean = true;
}

输出:

 OFFSET  SIZE      TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4           (object header)                           f0 18 58 00 (11110000 00011000 01011000 00000000) (5773552)
      4     4           (object header)                           00 70 00 00 (00000000 01110000 00000000 00000000) (28672)
      8     4           (object header)                           43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
     12     1   boolean L.myboolean                               true
     13     3           (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total

对应的mark word为0x00007000005818f0 对应的2进制为0xb00000000 00000000 01110000 00000000 00000000 01011000 00011000 11110000 根据末尾倒数第三位为0 表示不是偏量锁倒数后2位为00 表示这是一个轻量锁

enum {  locked_value                 = 0, // 0 00 轻量级锁
         unlocked_value           = 1,// 0 01 无锁
         monitor_value            = 2,// 0 10 重量级锁
         marked_value             = 3,// 0 11 gc标志
         biased_lock_pattern      = 5 // 1 01 偏向锁
  };

你可能会有疑问mark word = 0x00007000005818f0是怎么算出来的, 根据前64位的value倒序排列拼成的串就是mark word 例子:

 OFFSET  SIZE      TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4           (object header)                           f0 18 58 00 (11110000 00011000 01011000 00000000) (5773552)
      4     4           (object header)                           00 70 00 00 (00000000 01110000 00000000 00000000) (28672)
      8     4           (object header)                           43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
     12     1   boolean L.myboolean                               true
     13     3           (loss due to the next object alignment)

Mark word 串为前64位倒序排列为:00000000 00000000 01110000 00000000 00000000 01011000 00011000 11110000 转换为16进制为 00007000005818f0

2.Klass Pointer

即对象指向它的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定是哪个类的实例。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(通过句柄池访问)。

简单引申一下对象的访问方式，我们创建对象的目的就是为了使用它。所以我们的Java程序在运行时会通过虚拟机栈中本地变量表的reference数据来操作堆上对象。但是reference只是JVM中规范的一个指向对象的引用，那这个引用如何去定位到具体的对象呢？因此，不同的虚拟机可以实现不同的定位方式。主要有两种：句柄池和直接指针。

2.1 使用句柄访问

会在堆中开辟一块内存作为句柄池，句柄中储存了对象实例数据（属性值结构体）的内存地址，访问类型数据的内存地址（类信息，方法类型信息），对象实例数据一般也在heap中开辟，类型数据一般储存在方法区中。

优点：reference存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要改变。缺点：增加了一次指针定位的时间开销。

2.2 使用指针访问

指针访问方式指reference中直接储存对象在heap中的内存地址，但对应的类型数据访问地址需要在实例中存储。

优点：节省了一次指针定位的开销。缺点：在对象被移动时(如进行GC后的内存重新排列)，reference本身需要被修改。

总结:

通过句柄池访问的话，对象的类型指针是不需要存在于对象头中的，但是目前大部分的虚拟机实现都是采用直接指针方式访问。此外如果对象为JAVA数组的话，那么在对象头中还会存在一部分数据来标识数组长度，否则JVM可以查看普通对象的元数据信息就可以知道其大小，看数组对象却不行

3. 对齐填充字节

因为JVM要求java的对象占的内存大小应该是8bit的倍数，所以后面有几个字节用于把对象的大小补齐至8bit的倍数，就不特别介绍了

4.JVM升级锁的过程

1，当没有被当成锁时，这就是一个普通的对象，Mark Word记录对象的HashCode，锁标志位是01，是否偏向锁那一位是0。

2，当对象被当做同步锁并有一个线程A抢到了锁时，锁标志位还是01，但是否偏向锁那一位改成1，前23bit记录抢到锁的线程id，表示进入偏向锁状态。

3，当线程A再次试图来获得锁时，JVM发现同步锁对象的标志位是01，是否偏向锁是1，也就是偏向状态，Mark Word中记录的线程id就是线程A自己的id，表示线程A已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码。

4，当线程B试图获得这个锁时，JVM发现同步锁处于偏向状态，但是Mark Word中的线程id记录的不是B，那么线程B会先用CAS操作试图获得锁，这里的获得锁操作是有可能成功的，因为线程A一般不会自动释放偏向锁。如果抢锁成功，就把Mark Word里的线程id改为线程B的id，代表线程B获得了这个偏向锁，可以执行同步锁代码。如果抢锁失败，则继续执行步骤5。

5，偏向锁状态抢锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。JVM会在当前线程的线程栈中开辟一块单独的空间，里面保存指向对象锁Mark Word的指针，同时在对象锁Mark Word中保存指向这片空间的指针。上述两个保存操作都是CAS操作，如果保存成功，代表线程抢到了同步锁，就把Mark Word中的锁标志位改成00，可以执行同步锁代码。如果保存失败，表示抢锁失败，竞争太激烈，继续执行步骤6。

6，轻量级锁抢锁失败，JVM会使用自旋锁，自旋锁不是一个锁状态，只是代表不断的重试，尝试抢锁。从JDK1.7开始，自旋锁默认启用，自旋次数由JVM决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码，如果失败则继续执行步骤7。

7，自旋锁重试之后如果抢锁依然失败，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位改为10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会被阻塞。

总结:本章节主要介绍了对象布局包含对象头,对象实例数据,和对齐数据.并且介绍了对象头中包含的信息和解析方法更多内容请持续关注公众号:java宝典

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