2 Java對象內存模型
在HotSpot虛擬機中，對象在內存中存儲的佈局可以分爲3塊區域：對象頭（Header）、 實例數據（Instance Data）和對齊填充（Padding）。
在 JVM 中，Java對象保存在堆中時，由以下三部分組成：
- 對象頭（object header）：包括了關於堆對象的佈局、類型、GC狀態、同步狀態和標識哈希碼的基本信息。Java對象和vm內部對象都有一個共同的對象頭格式。
- 實例數據（Instance Data）：主要是存放類的數據信息，父類的信息，對象字段屬性信息。
- 對齊填充（Padding）：爲了字節對齊，填充的數據，不是必須的。湊齊8字節的倍數。
2.1 對象頭
對象頭包括兩部分信息，第一部分用於存儲對象自身的運行時數據（MarkWord）， 如哈希碼（HashCode）、GC分代年齡、鎖狀態標誌、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時 間戳等。對象頭的另外一部分是類型指針（Klass Pointer），即對象指向它的類元數據的指針，虛擬機通過這個指針來確定這個對象是哪個類的實例。
// oopDesc hotspot對象頭
volatile markOop _mark;
union _metadata {
wideKlassOop _klass;
narrowOop _compressed_klass;
} _metadata;
Mark Word在32位JVM中的長度是32bit，在64位JVM中長度是64bit。
markword組成內容基本一致。
- 鎖標誌位（lock）：區分鎖狀態，11時表示對象待GC回收狀態, 只有最後2位鎖標識(11)有效。
- biased_lock：是否偏向鎖，由於無鎖和偏向鎖的鎖標識都是 01，沒辦法區分，這裏引入一位的偏向鎖標識位。
- 分代年齡（age）：表示對象被GC的次數，當該次數到達閾值的時候，對象就會轉移到老年代。
- 對象的hashcode（hash）：運行期間調用System.identityHashCode()來計算，延遲計算，並把結果賦值到這裏。當對象加鎖後，計算的結果31位不夠表示，在偏向鎖，輕量鎖，重量鎖，hashcode會被轉移到Monitor中。
- 偏向鎖的線程ID（JavaThread）：偏向模式的時候，當某個線程持有對象的時候，對象這裏就會被置爲該線程的ID。 在後面的操作中，就無需再進行嘗試獲取鎖的動作。
- epoch：偏向鎖在CAS鎖操作過程中，偏向性標識，表示對象更偏向哪個鎖。
- ptr_to_lock_record：輕量級鎖狀態下，指向棧中鎖記錄的指針。當鎖獲取是無競爭的時，JVM使用原子操作而不是OS互斥。這種技術稱爲輕量級鎖定。在輕量級鎖定的情況下，JVM通過CAS操作在對象的markword中設置指向鎖記錄的指針。
- ptr_to_heavyweight_monitor：重量級鎖狀態下，指向對象監視器Monitor的指針。如果兩個不同的線程同時在同一個對象上競爭，則必須將輕量級鎖定升級到Monitor以管理等待的線程。在重量級鎖定的情況下，JVM在對象的ptr_to_heavyweight_monitor設置指向Monitor的指針。
2.2 對象信息
使用openjdk的jol工具打印對象信息。引入依賴
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.8</version>
</dependency>
1 無屬性對象
// 打印無屬性對象
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Object()).toPrintable());
// 對象信息
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
對象信息分析
- OFFSET：偏移地址，單位字節；
- SIZE：佔用的內存大小，單位爲字節；
- TYPE DESCRIPTION：類型描述，其中object header爲對象頭；
- VALUE：對應內存中當前存儲的值，二進制32位；
對於普通無屬性對象，一共佔用16字節，其中對象頭markword佔用8個字節，類型指針佔用4個字節，剩餘4個字節用於對齊填充，沒有實例數據。
JDK8版本默認開啓指針壓縮（-XX:+UseCompressedOops），如果關閉指針壓縮，類型指針佔用8個字節，不再需要對齊填充。
2 數組對象
// 打印數組
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new int[]{}).toPrintable());
// 對象信息
[I 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) 6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
12 4 (object header) // 數組長度 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
16 0 int [I.<elements> N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
對於數組對象，類型指針後有4個字節記錄數組長度。因爲虛擬機可以通過普通Java對象的元數據信息確定Java對象大小，如果數組長度不確定，則無法推斷出數組對象大小。
3 有屬性對象
// 打印有屬性對象
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new User()).toPrintable());
class User {
int id; // 4B
String name; // 4B 未經類型壓縮爲8B
byte b; // 1B
Object o; // 4B 未經類型壓縮爲8B
}
// 對象信息
com.lzp.java.jvm.memory.User object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
// 對象頭 12字節
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) 65 cc 00 f8 (01100101 11001100 00000000 11111000) (-134165403)
// 實例數據
12 4 int User.id 0
16 1 byte User.b 0
17 3 (alignment/padding gap) // 對齊
20 4 java.lang.String User.name null
24 4 java.lang.Object User.o null
// 對齊填充
28 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total
通過這一節的分析，我們可以比較輕鬆地估計出一個對象的大小，即對象頭+實例數據+對象填充，得到一個8字節倍數的值。
2.3 其他
1 JVM每次GC，對象分代年齡加1，當年齡增加到15時晉升到老年代。爲什麼是15？
在Mark Word中可以發現標記對象分代年齡的分配的空間是4bit，而4bit能表示的最大數就是2^4-1 = 15。
2 爲什麼要進行指針壓縮？
通過指針壓縮，類型指針、對象引用等由8字節轉爲4個字節。降低對象佔用的內存大小，順便減輕GC壓力；當指針移動時，減少帶寬損耗。