Java | Object obj = new Object()占用多少字节?

前言

  • Java 对象是接触得很多的,对 Java 对象 内存布局 & 访问 的正确理解,也是 Java 编程的基础;
  • 在这篇文章里,我将通过 Object obj = new Object()占用多少字节? 这个问题为线索,与你探讨 Java 堆上对象的内存布局 & 访问。如果能帮上忙,请务必点赞加关注,这真的对我非常重要。

延伸文章

目录


1. 实验结果

JOL(Java Object Layout)OpenJDK提供的用于分析对象内存布局的工具,地址:JOL。主要的局限性是只支持HotSpot/OpenJDK虚拟机,如果在其他虚拟机上使用会报错:

java.lang.IllegalStateException: Only HotSpot/OpenJDK VMs are supported

现在,我们使用JOL分析new Object()在 HotSpot 虚拟机上的内存布局:

步骤一:添加依赖
implementation 'org.openjdk.jol:jol-core:0.11'

步骤二:创建对象
Object obj = new Object();

步骤三:打印对象内存布局

1. 输出虚拟机与对象内存布局相关的信息
System.out.println(VM.current().details());
2. 输出对象内存布局信息
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

输出结果如下:

# Running 64-bit HotSpot VM.
# Using compressed oop with 3-bit shift.
# Using compressed klass with 3-bit shift.
# Objects are 8 bytes aligned.
# Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
# Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]

java.lang.Object object internals:
 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)    e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

其中关于虚拟机的信息:

  • Running 64-bit HotSpot VM. 表示运行在64位的 HotSpot 虚拟机
  • Using compressed oop with 3-bit shift. 见第 7 节分析
  • Using compressed klass with 3-bit shift. 见第 7 节分析
  • Objects are 8 bytes aligned. 表示对象按 8 字节对齐
  • Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes] ,依次表示引用、boolean、byte、char、short、int、float、long、double类型占用的长度,见源码:
HotspotUnsafe.java

public String details() {
    // ...
    out.printf("# %-19s: %d, %d, %d, %d, %d, %d, %d, %d, %d [bytes]%n",
                "Field sizes by type",
                oopSize,
                sizes.booleanSize,
                sizes.byteSize,
                sizes.charSize,
                sizes.shortSize,
                sizes.intSize,
                sizes.floatSize,
                sizes.longSize,
                sizes.doubleSize
        );
}
  • Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes],依次表示数组元素长度

其中关于Object对象的信息里,虽然存在很多不理解的数据,但是至少可以清楚地看到Instance size: 16 bytes 。这个是不是就是题目的答案呢?


2. 对象内存布局的基本结构


3. 对象头(Header)

对象头包含Mark Work和可选的类型指针 & 数组长度。由于对象头里的信息是与对象实例数据无关的额外存储成本,Mark Word 被设计为一个有状态的动态数据结构,将根据对象的状态复用自己的存储空间。

3.1 Mark Work

3.2 类型指针(Class Pointer)

  • 定义: 指向方法区中的类型元数据
  • 长度: 在 32 位机器上占用 4 个字节,在 64 位机器上占 8 个字节。虚拟机(默认)通过指针压缩将长度压缩到 4 个字节,通过以下虚拟机参数控制,关于指针压缩见第 7 节
-XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops
  • 注意: 并不是所有虚拟机实现都将类型指针存在对象数据上。具体取决于虚拟机使用的对象的访问定位方式,如果是使用直接指针的方式,对象的内存布局就必须放置访问类型数据的指针。

3.3 数组长度(可选)

  • 定义: 指数组对象的长度(指元素个数,非占用内存空间)。
  • 长度: 4 个字节
  • 描述: 普通Java对象的大小可以通过元数据信息确定,但是对于数组对象来说,无法通过元数据的信息确定数组的长度。因此,如果对象是一个Java数组,那么对象头中会有一块记录数组长度的区域。例如:
源码:
char [] str = new char[2];
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(str).toPrintable());

------------------------------------------------------
JOL:
[C object internals:
 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)    41 00 00 f8 (01000001 00000000 00000000 11111000) (-134217663)
     12     4        (object header)    【数组长度:2】02 00 00 00 (00000010 00000000 00000000 00000000) (2)
     16     4   char [C.<elements>     N/A
     20     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

可以看到,对象头中有一块 4 字节的区域,值为2,表示该数组长度为 2。


4. 实例数据(Instance Data)

实例数据是对象的有效信息,可以理解为报文段中的payload。对象的实例数据包括本类声明的实例字段和从父类继承的实例字段,但不包括类级字段(存储在方法区)。字段的存储顺序与字段声明顺序和分配策略参数有关:

  • 相同宽度的字段分配在一起:longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointers,OOPs)

  • 父类字段在子类字段之前

  • 使用-XX:FieldsAllocationStyle+XX:CompactFields可以影响分配策略


5. 对齐填充(Padding)

HotSpot要求对象的大小必须按 8 字节对齐(即第一节中Objects are 8 bytes aligned.的含义),如果对象占用空间不是 8 字节的倍数,则需要增加对齐填充数据。

直观来看,“无效”的填充数据使得对象占用空间加大,增大了虚拟机的内存消耗。那么为什么要这么做呢?最主要的原因是对象按规整对齐是指针压缩的前提,具体见第 7 节。


6.对象的访问定位

我们都知道 Java 的类型可以分为基础数据类型与引用类型(Reference),而访问对象就是需要用到引用类型。主流的访问方式分为 句柄访问 & 直接指针访问

  • 句柄访问:

定义:Reference 中存储的是对象句柄地址,句柄位于 Java 堆中单独划分出来的句柄池。此时,句柄中存储的是对象实例数据与类型数据的地址。

优点:句柄中对象实例数据和类型数据的地址是稳定的,当对象在垃圾收集是被移动时,只需要修改实例数据的指针,而 Reference 本身不需要修改。

引用自《深入理解Java虚拟机(第3版本)》—— 周志明 著
  • 直接指针访问:

定义:Reference 中存储的是对象的地址,对象内存中有一块是实例数据,另外有一个指针指向类型数据,这个指针就是 第 3 节中将的类型指针(Class Pointer)

优点:访问速度更快,因为节省了一次指针的访问。

引用自《深入理解Java虚拟机(第3版本)》—— 周志明 著

7.指针压缩

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参考资料

  • 《JVM Anatomy Quark #23: Compressed References》 —— Aleksey Shipilёv 著
  • 《深入理解Java虚拟机(第3版本)》(第2、13章)—— 周志明 著
  • 《Android进阶解密》(第10章)—— 刘望舒 著
  • 《Java并发编程的艺术》​(第2、6章)—— 方腾飞、魏鹏、程晓明 著

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