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java对象详解

2024-09-23 17:37:10   203人阅读

  • java对象详解
    • 内存布局
      • 普通对象布局
      • 数组的内存布局
      • 内部类的内存布局
    • 对象分解
      • 对象头-mark word（8字节)
      • 实例数据
      • 对齐填充(可选)
    • java锁分析

java对象详解

HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为对象头,实例数据,对齐填充三个区域。本文所说环境均为HotSpot虚拟机。即输入java -version返回的虚拟机版本：

java version "1.8.0_111"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_111-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.111-b14, mixed mode)

内存布局

普通对象布局

  • 在jvm中，任何对象都是8个字节为粒度进行对齐的，这是对象内存布局的第一个规则。

如果调用new Object()，由于Object类并没有其他没有其他可存储的成员，那么仅仅使用堆中的8个字节来保存两个字的头部即可。
除了上面所说的8个字节的头部(关于对象头，在下面会有详细解释)，类属性紧随其后。属性通常根据其大小来排列。例如，整型（int）以4个字节为单位对齐，长整型（long）以8个字节为单位对齐。这里是出于性能考虑而这么设计的：通常情况下，如果数据以4字节为单位对齐，那么从内存中读4字节的数据并写入到处理器的4字节寄存器是性价比更高的。

为了节省内存，Sun VM并没有按照属性声明时的顺序来进行内存布局。实际上，属性在内存中按照下面的顺序来组织：

    1. 双精度型（doubles）和长整型（longs）

    1. 整型（ints）和浮点型（floats）

    1. 短整型（shorts）和字符型（chars）

    1. 布尔型（booleans）和字节型（bytes）

    1. 引用类型（references）

内存使用率会通过这个机制得到优化。例如，如下声明一个类：

class MyClass {
       byte a;
       int c;
       boolean d;
       long e;
       Object f;          
}

如果JVM并没有打乱属性的声明顺序，其对象内存布局将会是下面这个样子：

[HEADER:  8 bytes]  8
[a:       1 byte ]  9
[padding: 3 bytes] 12
[c:       4 bytes] 16
[d:       1 byte ] 17
[padding: 7 bytes] 24
[e:       8 bytes] 32
[f:       4 bytes] 36
[padding: 4 bytes] 40

此时，用于占位的14个字节是浪费的，这个对象一共使用了40个字节的内存空间。但是，如果用上面的规则对这些对象重新排序，其内存结果会变成下面这个样子：

[HEADER:  8 bytes]  8
[e:       8 bytes] 16
[c:       4 bytes] 20
[a:       1 byte ] 21
[d:       1 byte ] 22
[padding: 2 bytes] 24
[f:       4 bytes] 28
[padding: 4 bytes] 32

这次，用于占位的只有6个字节，这个对象使用了32个字节的内存空间。

  • 规则2：类属性按照如下优先级进行排列：长整型和双精度类型；整型和浮点型；字符和短整型；字节类型和布尔类型，最后是引用类型。这些属性都按照各自的单位对齐。
    现在我们知道如何计算一个继承了Object的类的实例的内存大小了。下面这个例子用来做下练习: java.lang.Boolean。这是其内存布局：

[HEADER:  8 bytes]  8
[value:   1 byte ]  9
[padding: 7 bytes] 16

Boolean类的实例占用16个字节的内存！惊讶吧？（别忘了最后用来占位的7个字节）。

  • 规则3：不同类继承关系中的成员不能混合排列。首先按照规则2处理父类中的成员，接着才是子类的成员。
    举例如下：

class A {
   long a;
   int b;
   int c;
}
 
class B extends A {
   long d;
}

类B的实例在内存中的存储如下：

[HEADER:  8 bytes]  8
[a:       8 bytes] 16
[b:       4 bytes] 20
[c:       4 bytes] 24
[d:       8 bytes] 32

如果父类中的成员的大小无法满足4个字节这个基本单位，那么下一条规则就会起作用：

  • 规则4：当父类中最后一个成员和子类第一个成员的间隔如果不够4个字节的话，就必须扩展到4个字节的基本单位。

class A {
   byte a;
}
 
class B {
   byte b;
}

[HEADER:  8 bytes]  8
[a:       1 byte ]  9
[padding: 3 bytes] 12
[b:       1 byte ] 13
[padding: 3 bytes] 16

注意到成员a被扩充了3个字节以保证和成员b之间的间隔是4个字节。这个空间不能被类B使用，因此被浪费了。

  • 规则5：如果子类第一个成员是一个双精度或者长整型，并且父类并没有用完8个字节，JVM会破坏规则2，按照整形（int），短整型（short），字节型（byte），引用类型（reference）的顺序，向未填满的空间填充。

class A {
  byte a;
}
 
class B {
  long b;
  short c;  
  byte d;
}

[HEADER:  8 bytes]  8
[a:       1 byte ]  9
[padding: 3 bytes] 12
[c:       2 bytes] 14
[d:       1 byte ] 15
[padding: 1 byte ] 16
[b:       8 bytes] 24

在第12字节处，类A“结束”的地方，JVM没有遵守规则2，而是在长整型之前插入一个短整型和一个字节型成员，这样可以避免浪费3个字节。

数组的内存布局

数组有一个额外的头部成员，用来存放“长度”变量。数组元素以及数组本身，跟其他常规对象同样，都需要遵守8个字节的边界规则。
下面是一个有3个元素的字节数组的内存布局：

[HEADER:  12 bytes] 12
[[0]:      1 byte ] 13
[[1]:      1 byte ] 14
[[2]:      1 byte ] 15
[padding:  1 byte ] 16

下面是一个有3个元素的长整型数字的内存布局：

[HEADER:  12 bytes] 12
[padding:  4 bytes] 16
[[0]:      8 bytes] 24
[[1]:      8 bytes] 32
[[2]:      8 bytes] 40

内部类的内存布局

非静态内部类（Non-static inner classes）有一个额外的“隐藏”成员，这个成员是一个指向外部类的引用变量。这个成员是一个普通引用，因此遵守引用内存布局的规则。内部类因此有4个字节的额外开销。

以上引用：http://www.importnew.com/1305.html

对象分解

对象头-mark word（8字节)

对象头主要包含两部分信息，第一部分用于存储对象自身运行时数据，如哈希码，GC分代年龄（可以查看上一篇关于java内存回收分析的文章），锁状态标志，线程持有锁，偏向线程ID，偏向时间戳等。
如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽存储对象头，如果是非数组类型，则用2个字宽存储对象头。下图是一个32位虚拟机mark部分占用内存分布情况

技术分享

j1.jpeg

此图来源：http://blog.csdn.net/zhoufanyang_china/article/details/54601311

另一部分是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,具体结构参考下图。

技术分享

javao.png

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。

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。

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。

静态属性不算在对象大小内。

实例数据

对象实际数据，大下为实际数据的大小

对齐填充(可选)

按8字节对齐,参照上面内存布局部分

java锁分析

synchronized到底锁的是对象还是代码片段？
例：

package com.startclan.thread;

/**
 * Created by wongloong on 17-5-20.
 */
public class TestSync {
    public synchronized void test() {

        System.out.println("test1 start");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("test1 end");
    }

    public synchronized void test2() {
        System.out.println("test2 start");
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("test2 end");
    }

}


package com.startclan.thread;

/**
 * Created by wongloong on 17-5-20.
 */
public class TestSyncStatic {
    public static synchronized void test() {
        System.out.println("test1 start");
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("test1 end");
    }

    public static synchronized void test2() {
        System.out.println("test2 start");
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("test2 end");
    }

}


package com.startclan;

import com.startclan.thread.TestSync;
import com.startclan.thread.TestSyncStatic;
import org.junit.Test;

/**
 * Created by wongloong on 17-5-18.
 */
public class TestWithThread {

    @Test
    public void testThread1() throws Exception {
        final TestSync t1 = new TestSync();
        /**
         * 测试synchronized同步非static代码块
         * 此处会先执行test方法然后执行test2方法，说明synchronized在同步非static方法时，
         * 只能同步同一对象的同一实例进行同步
         */
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                t1.test();
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                t1.test2();
            }
        }).start();
        Thread.sleep(4000);
    }

    @Test
    public void testThread2() throws Exception {
        final TestSync t1 = new TestSync();
        final TestSync t2 = new TestSync();

        /**
         * 测试synchronized同步非static代码块
         * t1 t2不同对象,
         * 不能同步方法
         */
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                t1.test();
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                t2.test2();
            }
        }).start();

        Thread.sleep(4000);
    }

    @Test
    public void testThread3() throws Exception {
        final TestSyncStatic tss1 = new TestSyncStatic();
        final TestSyncStatic tss2 = new TestSyncStatic();

        /**
         * 测试synchronized 同步 static代码块
         * 由于method1和method2都属于静态同步方法，
         * 所以调用的时候需要获取同一个类上monitor（每个类只对应一个class对象），
         * 所以也只能顺序的执行。
         */
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                tss1.test();
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                tss2.test2();
            }
        }).start();
        Thread.sleep(4000);
    }
}

此时输出结果为：

------------------------1-------------------------
test1 start
test1 end
test2 start
test2 end
-----------------------2-------------------------
test1 start
test2 start
test2 end
test1 end
-----------------------3-------------------------
test1 start
test1 end
test2 start
test2 end

结论：

  • synchronized(this)以及非static的synchronized方法，只能防止多个线程同时执行同一个实例的同步代码段（在第一段测试代码中，分别new了三个Mythread类，所以并不会执行同步）

  • synchronized(xx.class)及static的synchronized方法，可以防止多个线程同时执行同一个对象的多个实例同步的代码段

  • synchronize原理
    每一个对象头信息都包含一个锁定状态，可以看上面的mark word的图解。当线程进入对象中，尝试获取锁的所有权，如果为锁的值为0,则该线程进入，并设置为1,该线程为锁的拥有者。如果线程已经占用该锁，只是重新进入，并且锁值+1.当线程退出时则-1.如果其他线程访问这个对象实例，则改线程堵塞。直到锁值为0的时候，在重新尝试取得锁的所有权。

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