对象的内存布局

在 HotSpot 虚拟机中，对象在内存中的布局主要分为三部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）、对齐填充（Padding）。

图一：对象内存布局模型示例

如图所示，对象头主要包含两部分数据： MarkWord、类型指针。其中第一部分数据 MarkWord 用于存储哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志位、线程持有的锁、偏向线程ID等信息。这部分数据长度在32位和64位虚拟机中的长度为32bit和64bit。
对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向他的类元数据指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。另外，如果对象是一个 Java 数组，那么对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通 Java 对象的元数据信息来确定 Java 对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

接下来的实例数据（Instance Data）是对象真正存储的有效信息，也是代码中所定义的各种类型的字段信息。

第三部分对其填充并不是一定存在的，也没有特别的意义，只是起到了占位的作用。存在的原因是因为 HotSpot 虚拟机要求对象的起始地址必须是8的整数倍，换句话说就是对象的大小必须是8字节的整数倍，又因为对象头部分正好是8字节的整数倍，所以当实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

二：对象头的 MarkWord

为了能够更加具体形象的看到对象的内存布局，我们使用 OpenJDK 的 JOL 包来做实验，先添加 maven 依赖。

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

先定义一个普通的 Java 对象，代码如下：

public class Person {
    String str = "test";
    Son son = new Son();
}

class Son{

}

新定义的Person有两个属性，一个是普通的字符串，还有一个是自定义的类对象。接下来我们利用 JOL 包下的 ClassLayout 来输出他的内存布局，代码如下：

public class SeeBin {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Person person = new Person();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());

    }
}

代码中初始化了一个 Person 对象，随后便直接打印了他的内存布局，输出结果如下：

图二：对象内存输出结果

图中的1、2、3、4分别对应 MarkWord、类型指针、实例数据、对齐填充。

MarkWord：共8字节，该对象刚新建，还处于无锁状态，所以锁标识位是 01
类型指针：共4字节，标识新建的 person 属于哪个类
实例数据：共8字节，定义的 Person 有两个属性，str 和 son，他们对应的类型分别为 String 和 Son，这两个属性每个占4个字节
对齐填充：共4个字节，前三个部分所占大小相加 8+ 4+ 8 = 20，不是8的整数倍，所以得填充4个字节凑齐24字节。描述信息中也有说明： loss due to the next object aligment

三：MarkWord 的锁信息

前面我们提到对象头 MarkWord 中主要保存有锁信息、GC信息、HashCode。那么我们现在就看下 MarkWord 中的锁信息。锁主要有偏向锁、轻量级锁、重量级锁，锁之间的升级过程我们就不在这里说明了，可以参考《深入理解 Java 虚拟机》，各种锁在 MarkWord 中锁标识位的使用情况如下图所示：

图三：对象 MarkWord 字节说明

对照上图，再结合之前图二中对新建对象的内存模型输出结果，结果中表示锁信息的二进制是 001，再对照图三，是一个无锁状态。

接下来再试一种情况，我们知道 HotSpot 虚拟机在启动后有个 4s 的延迟才会对每个新建的对象开启偏向锁，为此，我们先让程序 sleep 5s后再去输出对象的内存模型，修改后的代码如下：

public class SeeBin {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //线程sleep 5s，确保虚拟机中偏向锁开启
        Thread.sleep(5000);
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Person person = new Person();
                synchronized (person){
                    //当前锁对象第一次被线程获取
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());
                }
            }
        }).start();

    }
}

这段代码的输出结果如下图：

图四：偏向锁

在上一段代码中，我们让线程 sleep 5s并新建一个线程去获取锁对象，因为当前只有一个线程去获取这个锁对象，所以虚拟机会把对象头中的标志位设置为偏向锁（101），并将获取这个锁的线程 ID 放到对象的 MarkWord 中，具体的字节对应可以将图四与图三中的偏向锁部分结合来看。

下面是一些能够模拟重量级锁的代码，就不细说了。

/**
 * 重量级锁
 */
public class SeeBin {
    static Person person = new Person();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread.sleep(5000);
        //三个线程去竞争访问一个锁对象
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    synchronized (person){
                        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(person).toPrintable());
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

图五：重量级锁

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对象的内存布局（JOL）和锁

对象的内存布局（JOL）和锁

对象的内存布局

二：对象头的 MarkWord

三：MarkWord 的锁信息