JAVA JVM 中的对象内存布局到底是什么?

 

在 Java 程序中,我们拥有多种新建对象的方式。除了最为常见的 new 语句之外,我们还可以通过反射机制、Object.clone 方法、反序列化以及 Unsafe.allocateInstance 方法来新建对象。

 

其中,Object.clone 方法和反序列化通过直接复制已有的数据,来初始化新建对象的实例字段。

Unsafe.allocateInstance 方法则没有初始化实例字段,而 new 语句和反射机制,则是通过调用构造器来初始化实例字段。

我们先来考察new语句,准备一个类,如下图所示

让我们编译他的字节码:

可以看到,new语句编译而成的字节码将包含用来请求内存的 new 指令,以及用来调用构造器的 invokespecial 指令。

本文不是专门介绍invoke系列指令的,我会在后面的文章中介绍invoke系列指令。

不过在这里我多说一嘴,字节码中的invokespecial指令通常用于调用私有实例方法、构造器,以及使用super关键字调用父类的实例方法或构造器,和所实现接口的默认方法。

提到构造器,就不得不提到 Java 对构造器的诸多约束。首先,如果一个类没有定义任何构造器的话, Java 编译器会自动添加一个无参数的构造器。

我们刚才的TestNew类,他的字节码编译出来后,有下面的片段。

在JAVA源码中,我们没有定义构造器,但是生成出来的字节码,已经自动帮我们添加了一个无参数的构造器。他使用的invokespecial方法最终调用的是其父类Object类的构造器方法。

我将讲述JVM的构造器调用原则,那就是,如果子类的构造器需要调用父类的构造器。如果父类存在无参数构造器的话,该调用可以是隐式的。也就是说, Java 编译器会自动添加对父类构造器的调用。

但是,如果父类没有无参数构造器,那么子类的构造器则需要显式地调用父类带参数的构造器。

显式调用有两种,一是直接使用“super”关键字调用父类构造器,二是使用“this”关键字调用同一个类中的其他构造器。

无论是直接的显式调用,还是间接的显式调用,都需要作为构造器的第一条语句,以便优先初始化继承而来的父类字段。

可以不优先初始化继承来的父类字段吗?可以,如果你能使用字节码注入工具的话。

当我们调用一个构造器时,它将优先调用父类的构造器,直至 Object 类。这些构造器的调用者皆为同一对象,也就是通过 new 指令新建而来的对象。

事实上,我上面的陈述意味着:通过 new 指令新建出来的对象,它的内存其实涵盖了所有父类中的实例字段。

也就是说,虽然子类无法访问父类的私有实例字段,或者子类的实例字段隐藏了父类的同名实例字段,但是子类的实例还是会为这些父类实例字段分配内存的。

下面我将介绍压缩指针技术。在 Java 虚拟机中,每个 Java 对象都有一个对象头,它由标记字段和类型指针所构成。

标记字段用以存储 Java 虚拟机有关该对象的运行数据,如哈希码、GC 信息以及锁信息,而类型指针则指向该对象的类。

在64位的JVM中,对象头的标记字段占 64 位,而类型指针又占了 64 位。也就是说,每一个 Java 对象在内存中的额外开销就是 16 个字节。

为了尽量较少对象的内存使用量,64位JVM引入了压缩指针的概念,将堆中原本64位的Java对象指针压缩成32位的。

这样一来,对象头中的类型指针也会被压缩成32位,使得对象头的大小从16字节降至12字节。

当然,压缩指针不仅可以作用于对象头的类型指针,还可以作用于引用类型的字段,以及引用类型数组。

它的原理是什么?答案是内存对齐

我们规定,默认情况下,JVM堆中对象的起始地址需要对齐至8的倍数,如果一个对象用不到8N 个字节,那么空白的那部分空间就浪费掉了,这些浪费掉的空间我们称之为对象间的填充。

大家知道,指针里面存放的是地址,由于堆中对象的起始地址是对齐至8的倍数,所以指针存放一个引用(或者对象的类)的内存地址时,根本就不用存放最后的三位二进制数。

因为所有对象或类的内存地址都对齐了8,所以他们的内存地址的最低三位总是0,32位的指针就可以寻址到 2 的 35 次方个字节,也就是 32GB 的地址空间(超过 32GB 则会关闭压缩指针)。

我们可以通过配置虚拟机的内存对齐选项来进一步提升寻址范围。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。

就算是关闭了压缩指针,Java 虚拟机还是会进行内存对齐。此外,内存对齐不仅存在于对象与对象之间,也存在于对象中的字段之间。

比如说,Java 虚拟机要求long字段、double字段,以及非压缩指针状态下的引用字段地址为8的倍数。

这是为什么呢?

CPU的缓存行机制大家应该有所耳闻,如果字段不是对齐的,那么就有可能出现跨缓存行的字段。

该字段的读取可能需要替换两个缓存行,而该字段的存储也会同时污染两个缓存行。

我们将在后期文章关于volatile关键词的本质分析的过程中,再次考察到CPU缓存行的相关机制。

最后我要提一句的是,字段重排列技术,就是我刚才提到的,对象的字段之间存在的内存对齐。这指的是重新分配字段的先后顺序,以达到内存对齐的目的

它有以下两个规则:

其一,如果一个字段占据C个字节,那么该字段的偏移量需要对齐至NC。这里的偏移量指的是字段地址与对象的起始地址差值。

以Long类为例,它仅有一个long类型的实例字段。在使用了压缩指针的 64 位虚拟机中,尽管对象头的大小为12个字节,该 long 类型字段的偏移量也只能是16,而中间空着的4个字节便会被浪费掉。

其二,子类所继承字段的偏移量,需要与父类对应字段的偏移量保持一致。

说白了,比如B继承了A,A是B的父类,A中所有的字段,在B中都有,而且是先放A的字段,再放B的字段。而且B类对象放A类字段时,需要与父类对应字段的偏移量保持一致。

接下来我说一个拓展内容吧,什么是虚共享?

假设两个线程分别访问同一对象中不同的 volatile 字段,逻辑上它们并没有共享内容,因此不需要同步。

如果这两个字段恰好在同一个缓存行中,那么对这些字段的写操作会导致缓存行的写回,也就造成了实质上的共享。

Java8还引入了一个新的注释@Contended,用来解决对象字段之间的虚共享。

Java 虚拟机会让不同的@Contended字段处于独立的缓存行中,因此你会看到大量的空间被浪费掉,避免无谓的缓存行同步操作。

具体的算法属于实现细节了,大家有兴趣可以去用:

-XX:-RestrictContended

这个虚拟机选项,查看Contended字段的内存布局。

END

原文作者:李瑞杰

 

参考:

99.9%的Java程序员都说不清的问题:JVM中的对象内存布局?

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