java對象結(jié)構(gòu) 對象頭 Markword

java對象結(jié)構(gòu) 對象頭 Markword？相信很多沒有經(jīng)驗的人對此束手無策，為此本文總結(jié)了問題出現(xiàn)的原因和解決方法，通過這篇文章希望你能解決這個問題。

概述

對象實例由對象頭、實例數(shù)據(jù)組成，其中對象頭包括markword和類型指針，如果是數(shù)組，還包括數(shù)組長度;

| 類型 | 32位JVM | 64位JVM|
| ------ ---- | ------------| --------- |
| markword | 32bit | 64bit |
| 類型指針 | 32bit |64bit ，開啟指針壓縮時為32bit |
| 數(shù)組長度 | 32bit |32bit |

header.png

compressed_header.png

可以看到

開啟指針壓縮時，markword占用8bytes,類型指針占用8bytes，共占用16bytes;

未開啟指針壓縮時，markword占用8bytes,類型指針占用4bytes,但由于java內(nèi)存地址按照8bytes對齊,長度必須是8的倍數(shù)，因此會從12bytes補全到16bytes;

數(shù)組長度為4bytes,同樣會進行對齊，補足到8bytes;

另外從上面的截圖可以看到，開啟指針壓縮之后，對象類型指針為0xf800c005,但實際的類型指針為0x7c0060028;那么指針是如何壓縮的呢？

實際上由于java地址一定是8的倍數(shù)，因此將0xf800c005*8即可得到實際的指針0x7c0060028,關(guān)于指針壓縮的更多知識可參考官方文檔。

markword結(jié)構(gòu)

markword的結(jié)構(gòu)，定義在markOop.hpp文件：

 32 bits:
 --------
 hash:25 ------------>| age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
 JavaThread*:23 epoch:2 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
 size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)
 PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)

 64 bits:
 --------
 unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
 JavaThread*:54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
 PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
 size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)

 unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
 JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
 narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
 unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)
 [ptr    | 00] locked    ptr points to real header on stack
 [header  | 0 | 01] unlocked   regular object header
 [ptr    | 10] monitor   inflated lock (header is wapped out)
 [ptr    | 11] marked    used by markSweep to mark an object

由于目前基本都在使用64位JVM,此處不再對32位的結(jié)構(gòu)進行詳細說明：

此處，有幾點要注意:

如果對象沒有重寫hashcode方法，那么默認是調(diào)用os::random產(chǎn)生hashcode,可以通過System.identityHashCode獲??；os::random產(chǎn)生hashcode的規(guī)則為:next_rand = (16807seed) mod (2*31-1),因此可以使用31位存儲;另外一旦生成了hashcode,JVM會將其記錄在markword中；

GC年齡采用4位bit存儲，最大為15，例如MaxTenuringThreshold參數(shù)默認值就是15；

當(dāng)處于輕量級鎖、重量級鎖時，記錄的對象指針，根據(jù)JVM的說明，此時認為指針仍然是64位，最低兩位假定為0;當(dāng)處于偏向鎖時，記錄的為獲得偏向鎖的線程指針，該指針也是64位；

 We assume that stack/thread pointers have the lowest two bits cleared.
ObjectMonitor* monitor() const {
 assert(has_monitor(), "check");
 // Use xor instead of &~ to provide one extra tag-bit check.
 return (ObjectMonitor*) (value() ^ monitor_value);//monitor_value=2,value最右兩位為10，因此異或之后最右兩位為0
 }
JavaThread* biased_locker() const {
 assert(has_bias_pattern(), "should not call this otherwise");
 return (JavaThread*) ((intptr_t) (mask_bits(value(), ~(biased_lock_mask_in_place | age_mask_in_place | epoch_mask_in_place))));
//~(biased_lock_mask_in_place | age_mask_in_place | epoch_mask_in_place)為11111111111111111111110010000000，計算后的結(jié)果中，低10位全部為0;
 }

由于java中內(nèi)存地址都是8的倍數(shù)，因此可以理解為最低3bit為0，因此假設(shè)輕量級和重量級鎖的最低2位為0是成立的；但為什么偏向鎖的最低10位都是0?查看markOop.hpp文件，發(fā)現(xiàn)有這么一句話:

// Alignment of JavaThread pointers encoded in object header required by biased locking
 enum { biased_lock_alignment = 2 << (epoch_shift + epoch_bits)
//epoch_shift+epoch_bits＝10
 };

thread.hpp中重載了operator new:

void* operator new(size_t size) { return allocate(size, true); }

// ======= Thread ========
// Support for forcing alignment of thread objects for biased locking
void* Thread::allocate(size_t size, bool throw_excpt, MEMFLAGS flags) {
 if (UseBiasedLocking) {
 const int alignment = markOopDesc::biased_lock_alignment;//10
 size_t aligned_size = size + (alignment - sizeof(intptr_t));
 void* real_malloc_addr = throw_excpt? AllocateHeap(aligned_size, flags, CURRENT_PC)
           : os::malloc(aligned_size, flags, CURRENT_PC);
 void* aligned_addr  = (void*) align_size_up((intptr_t) real_malloc_addr, alignment);
 assert(((uintptr_t) aligned_addr + (uintptr_t) size) <=
   ((uintptr_t) real_malloc_addr + (uintptr_t) aligned_size),
   "JavaThread alignment code overflowed allocated storage");
 if (TraceBiasedLocking) {
  if (aligned_addr != real_malloc_addr)
  tty->print_cr("Aligned thread " INTPTR_FORMAT " to " INTPTR_FORMAT,
      real_malloc_addr, aligned_addr);
 }
 ((Thread*) aligned_addr)->_real_malloc_address = real_malloc_addr;
 return aligned_addr;
 } else {
 return throw_excpt&#63; AllocateHeap(size, flags, CURRENT_PC)
      : os::malloc(size, flags, CURRENT_PC);
 }
}

如果開啟了偏移鎖,在創(chuàng)建線程時，線程地址會進行對齊處理，保證低10位為0

實例數(shù)據(jù)

實例數(shù)據(jù)中主要包括對象的各種成員變量，包括基本類型和引用類型；static類型的變量會放到j(luò)ava/lang/Class中，而不會放到實例數(shù)據(jù)中；

對于引用類型的成員(包括string)，存儲的指針；對于基本類型，直接存儲內(nèi)容；通常會將基本類型存儲在一起，引用類型存儲在一起；

例如類Test的成員定義如下:

 private static Test t1=new Test();
 private Test t2;
 private int a=5;
 private Integer b=7;
 private String c="112";
 private BigDecimal d=new BigDecimal("5");
 private long e=9l;

body.png

可以看到long e、int a為基本類型，存儲在一起；其它的引用類型存儲在一起；int占用4bytes,不足8bytes,自動補足到8bytes;

補充知識：java的對象物理結(jié)構(gòu)，以及對象頭中MarkWord與鎖的關(guān)系

java 對象頭

我們都知道，Java對象存儲在堆（Heap）內(nèi)存。那么一個Java對象到底包含什么呢？概括起來分為對象頭、對象體和對齊字節(jié)。

如下圖所示：

對象的幾個部分的作用：

1.對象頭中的Mark Word（標(biāo)記字）主要用來表示對象的線程鎖狀態(tài)，另外還可以用來配合GC、存放該對象的hashCode；

2.Klass Word是一個指向方法區(qū)中Class信息的指針，意味著該對象可隨時知道自己是哪個Class的實例；

3.數(shù)組長度也是占用64位（8字節(jié)）的空間，這是可選的，只有當(dāng)本對象是一個數(shù)組對象時才會有這個部分；

4.對象體是用于保存對象屬性和值的主體部分，占用內(nèi)存空間取決于對象的屬性數(shù)量和類型；

5.對齊字是為了減少堆內(nèi)存的碎片空間（不一定準(zhǔn)確）。

了解了對象的總體結(jié)構(gòu)，接下來深入地了解對象頭的三個部分。

一、Mark Word（標(biāo)記字）

以上是Java對象處于5種不同狀態(tài)時，Mark Word中64個位的表現(xiàn)形式，上面每一行代表對象處于某種狀態(tài)時的樣子。其中各部分的含義如下：

lock:2位的鎖狀態(tài)標(biāo)記位，由于希望用盡可能少的二進制位表示盡可能多的信息，所以設(shè)置了lock標(biāo)記。該標(biāo)記的值不同，整個Mark Word表示的含義不同。biased_lock和lock一起，表達的鎖狀態(tài)含義如下：

biased_lock：對象是否啟用偏向鎖標(biāo)記，只占1個二進制位。為1時表示對象啟用偏向鎖，為0時表示對象沒有偏向鎖。lock和biased_lock共同表示對象處于什么鎖狀態(tài)。

age：4位的Java對象年齡。在GC中，如果對象在Survivor區(qū)復(fù)制一次，年齡增加1。當(dāng)對象達到設(shè)定的閾值時，將會晉升到老年代。默認情況下，并行GC的年齡閾值為15，并發(fā)GC的年齡閾值為6。由于age只有4位，所以最大值為15，這就是-XX:MaxTenuringThreshold選項最大值為15的原因。

identity_hashcode：31位的對象標(biāo)識hashCode，采用延遲加載技術(shù)。調(diào)用方法System.identityHashCode()計算，并會將結(jié)果寫到該對象頭中。當(dāng)對象加鎖后（偏向、輕量級、重量級），MarkWord的字節(jié)沒有足夠的空間保存hashCode，因此該值會移動到管程Monitor中。

thread：持有偏向鎖的線程ID。

epoch：偏向鎖的時間戳。

ptr_to_lock_record：輕量級鎖狀態(tài)下，指向棧中鎖記錄的指針。

ptr_to_heavyweight_monitor：重量級鎖狀態(tài)下，指向?qū)ο蟊O(jiān)視器Monitor的指針。

二、Klass Word（類指針）

這一部分用于存儲對象的類型指針，該指針指向它的類元數(shù)據(jù)，JVM通過這個指針確定對象是哪個類的實例。該指針的位長度為JVM的一個字大小，即32位的JVM為32位，64位的JVM為64位。

如果應(yīng)用的對象過多，使用64位的指針將浪費大量內(nèi)存，統(tǒng)計而言，64位的JVM將會比32位的JVM多耗費50%的內(nèi)存。為了節(jié)約內(nèi)存可以使用選項+UseCompressedOops開啟指針壓縮，其中，oop即ordinary object pointer普通對象指針。

開啟該選項后，下列指針將壓縮至32位：

每個Class的屬性指針（即靜態(tài)變量）

每個對象的屬性指針（即對象變量）

普通對象數(shù)組的每個元素指針

當(dāng)然，也不是所有的指針都會壓縮，一些特殊類型的指針JVM不會優(yōu)化，比如指向PermGen的Class對象指針(JDK8中指向元空間的Class對象指針)、本地變量、堆棧元素、入?yún)?、返回值和NULL指針等。

三、數(shù)組長度

如果對象是一個數(shù)組，那么對象頭還需要有額外的空間用于存儲數(shù)組的長度，這部分數(shù)據(jù)的長度也隨著JVM架構(gòu)的不同而不同：32位的JVM上，長度為32位；64位JVM則為64位。

64位JVM如果開啟+UseCompressedOops選項，該區(qū)域長度也將由64位壓縮至32位。

看完上述內(nèi)容，你們掌握java對象結(jié)構(gòu) 對象頭 Markword的方法了嗎？如果還想學(xué)到更多技能或想了解更多相關(guān)內(nèi)容，歡迎關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝各位的閱讀！