实探java对象的内存布局

在我深入学习synchronized的时候，我查了很多资料，发现synchronized锁住的是对象的对象头，然后我又了解什么是对象头，这块的资料就很多了。
总结一下就是：
在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充数据。
对象头：对象头主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address

实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。
填充数据：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。
之后再就是详细的介绍对象头占多大，每个字节代表啥意思等等。

说了一堆，我知道了synchronized的锁的原理，知道了对象头的作用，知道了对象在内存中的布局。总之就是理论的东西知道了不少。但是我还是想实际看看对象在内存中的布局到底是啥样的，然后我又找啊找，终于让我找到了。

首先引入这个依赖

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

第一次

我新建了一个空对象O

public class O {}

然后将对象内存布局结构打印出来

    public static void main(String[] args) {O o = new O();//获取对象内存布局String s = ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable();System.out.println(s);}

下面是打印出来的结果

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 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

发现了对象头是12个字节，总大小是16字节，空对象没有属性，方法，所以实例数据是0字节，有4字节的数据填充，验证了虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。

对象头	12 byte
实例数据	0 byte
填充数据	4 byte
对象大小	16 byte

第二次

新建一个对象F。

public class F {int f = 0;
}

对象O继承对象F，里面包含静态属性，非静态属性，数组，引用对象，方法。

public class O extends F{int i; // 非静态属性int[] arr = new int[5]; //数组Object object = new Object(); //相当于属性static int b = 5; //静态属性private void a(){int a = 0;}
}

打印出来的结果

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) 81 c1 00 f8 (10000001 11000001 00000000 11111000) (-134168191)
12 4 int F.f 0 //父类属性
16 4 int O.i 0 //非静态属性
20 4 int[] O.arr [0, 0, 0, 0, 0] //非静态属性数组（4bit，包含了数组的长度）
24 4 java.lang.String O.s (object) //引用类型属性（4bit）
28 4 java.lang.Object O.object (object) //引用类型属性（4bit）
Instance size: 32 bytes //总大小32byte(正好是8的整数倍，没有填充数据)
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

验证了实例数据是存放类的非静态属性数据信息（引用类型都是4字节），包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。不保存静态属性和方法信息。

对象头	12 byte
实例数据	20 byte
填充数据	0 byte
对象大小	32 byte

从这两次就可以看出来

对象头总是占用12个字节（这里也有的人说占用了16个字节，是因为Class Metadata Address默认开启了指针压缩，没有开启就是16个字节，涉及到硬件的设计了，这里就不说了，感兴趣的朋友自己搜索看看。）
实例数据没有就不占用字节
总字节是8的倍数，不够数据填充补足
实例数据存放的非静态成员变量

这样我们的知识就不是只停留在理论阶段了，关于对象的内存布局自己可以亲自动手看看到底是啥样的！

实例数据和对象填充其实这里就没有什么好说的，通过上面的演示大家应该知道了是什么意思，那么这里最重要的就是对象头了。

对象头

对象头：对象头主要结构是由Mark Word 和 Class Metadata Address
这是我从其他的文章里面看到的，但是我现在想去验证一下，所以我去查看了一下 OpenjdK关于hotSpot的文档

这个相当于JVM规范中定义的对象头的概念，翻译一下
object header（对象头）

每个GC管理的堆对象开头的通用结构。（每个oop都指向一个对象头。）包括有关堆对象的布局，类型，GC状态，同步状态和标识哈希码的基本信息。由两个词组成。在数组中，紧随其后的是长度字段。请注意，Java对象和VM内部对象都具有通用的对象标头格式。

mark word

每个对象头的第一个部分。通常，一组位域包括同步状态和标识哈希码。也可以是指向与同步相关的信息的指针（具有特征性的低位编码）。在GC期间，可能包含GC状态位。

klass pointer

每个对象头的第二个部分。指向另一个对象（元对象），该对象描述原始对象的布局和行为。对于Java对象，“容器”包含C ++样式“ vtable”。

放在谷歌翻译里面翻译的，原谅我英文比较差，就不润滑翻译了。
到这里我就稍微了解了下，对象头分为两部分，第一部分是mark word，存放的同步状态，哈希码，与同步相关的指针，GC状态。第二部分是klass pointer至于为什么其他文章写的是Class Metadata Address我也就不深究了，因为我也不知道，但是意思上还是都差不多的，类的指针和类的元数据地址，都是代表的是指向这个对象所在类的地址。

上面的东西说白了还是概念，只不过是官方的权威的概念，接下来我还是想看看对象头的具体实现。包括哪些数据存放哪些东西。所以我下载了OpenJDK的源码来找找代码。
至于怎么下载openjdk的源码，我从openjdk的官方下载禁止下载，然后到github上搜一下openjdk就好了。

在markOop.hpp（对应的就是mark word）文件中，分为32位JVM和64位JVM
从上图可以知道32bit的占用32bit，

hash	25bit
age(GC分代年龄)	4bit
biased_lock(偏向锁)	1bit
lock	2bit

64bit的占用64bit,具体的还是看上图。
看到这里想到以前看过的一个面试题，每发生一次young GC，存活的对象分代年龄增加1，到多少的时候会进入老年代，答案是15，为什么是15，不能是16吗?如果以前肯定是懵逼的，我哪儿知道为什么是15，今天应该就知道了，从上面知道对象头中保存的分代年龄，不管32位还是64位的虚拟机都是4bit, 最大值是1111，即16，保存的范围是0~15，所以分代年龄是15。当然如果后面虚拟机变更成age 用5位表示，那对象的分代年龄最大就可以达到31次。

我们这里使用的是64的JVM，所以对象头的mark word是占用了64bit即8个字节，上面图中对象头总共是12个字节，那么剩下的4个字节就是保存klass pointer即指向类的信息的指针。
mark word ：64bit
klass pointer ： 32bit
这里解释一下，指针是需要用64位来表示的，但是由于64位太耗内存，所以采用了指针压缩的方法，来用32位表示64位的地址。其他的涉及到的东西太底层，不是咱们讨论的东西，感兴趣的朋友可以网上随便搜索下指针压缩，大量的文章让你借鉴参考。

mark word

接下来就是重点看看mark word中保存的东西，在不同状态下都是如何表示的。
对象在不同状态下mark word表示的含义是不同的。
对象总共有5种状态：
无状态(刚 new 出来)，偏向锁，轻量级锁，重量级锁，gc(对象要被回收)
下图是对象不同状态下mark word表示的含义

这里对象的状态有5种，但是lock是占用2位，总共能表示4种状态即00，01，10，11。所以这里(biased_lock)偏向锁联合lock来表示5种状态。

    public static void main(String[] args) {O o = new O();//计算对象的hashcode值，16进制表示System.out.println(Integer.toHexString(o.hashCode()));//获取对象内存布局String s = ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable();System.out.println(s);}

实际输出的mark word

理论的mark word
unsed:25 | hashcode:31| unsed:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2
实际的mark word
(00000001 00101110 01001100 01011111)
(01101000 00000000 00000000 00000000)
根据理论说unsed:25 ,意思前25位应该都是0，但是和实际的不一样，我陷入了懵逼，后来查阅了资料发现，我用的笔记本是微软的架构，存储是小端存储，说白了就是倒着存（不是每一位倒着存，是每一个字节倒着存），至于为啥我也不知道，太深奥了，我不想知道为啥，我只想验证下。所以我们就倒着看，发现后25位确实是0，

unsed:25	hashcode:31	unsed:1	age:4	biased_lock:1	lock:2
黄色	绿色	红色	蓝色	灰色	粉红色

我上面的实际输出图中输出了hashcode,和这里比对的值是一样的，说明mark word的存储确实是这样子的。

文章就先讲到这里了，关于对象其他状态下的验证，大家可以自行去试试。