浅谈java对象结构 对象头 Markword

概述

对象实例由对象头、实例数据组成,其中对象头包括markword和类型指针,如果是数组,还包括数组长度;

| 类型 | 32位JVM | 64位JVM|
| ------ ---- | ------------| --------- |
| markword | 32bit | 64bit |
| 类型指针 | 32bit |64bit ,开启指针压缩时为32bit |
| 数组长度 | 32bit |32bit |

header.png

compressed_header.png

可以看到

开启指针压缩时,markword占用8bytes,类型指针占用8bytes,共占用16bytes;

未开启指针压缩时,markword占用8bytes,类型指针占用4bytes,但由于java内存地址按照8bytes对齐,长度必须是8的倍数,因此会从12bytes补全到16bytes;

数组长度为4bytes,同样会进行对齐,补足到8bytes;

另外从上面的截图可以看到,开启指针压缩之后,对象类型指针为0xf800c005,但实际的类型指针为0x7c0060028;那么指针是如何压缩的呢?

实际上由于java地址一定是8的倍数,因此将0xf800c005*8即可得到实际的指针0x7c0060028,关于指针压缩的更多知识可参考官方文档。

markword结构

markword的结构,定义在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,此处不再对32位的结构进行详细说明:

偏向锁标识位 锁标识位 锁状态 存储内容
0 01 未锁定 hash code(31),年龄(4)
1 01 偏向锁 线程ID(54),时间戳(2),年龄(4)
00 轻量级锁 栈中锁记录的指针(64)
10 重量级锁 monitor的指针(64)
11 GC标记 空,不需要记录信息

此处,有几点要注意:

如果对象没有重写hashcode方法,那么默认是调用os::random产生hashcode,可以通过System.identityHashCode获取;os::random产生hashcode的规则为:next_rand = (16807seed) mod (2*31-1),因此可以使用31位存储;另外一旦生成了hashcode,JVM会将其记录在markword中;

GC年龄采用4位bit存储,最大为15,例如MaxTenuringThreshold参数默认值就是15;

当处于轻量级锁、重量级锁时,记录的对象指针,根据JVM的说明,此时认为指针仍然是64位,最低两位假定为0;当处于偏向锁时,记录的为获得偏向锁的线程指针,该指针也是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最右两位为10,因此异或之后最右两位为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)为11111111111111111111110010000000,计算后的结果中,低10位全部为0;
 }

由于java中内存地址都是8的倍数,因此可以理解为最低3bit为0,因此假设轻量级和重量级锁的最低2位为0是成立的;但为什么偏向锁的最低10位都是0?查看markOop.hpp文件,发现有这么一句话:

// 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中重载了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? AllocateHeap(size, flags, CURRENT_PC)
      : os::malloc(size, flags, CURRENT_PC);
 }
}

如果开启了偏移锁,在创建线程时,线程地址会进行对齐处理,保证低10位为0

实例数据

实例数据中主要包括对象的各种成员变量,包括基本类型和引用类型;static类型的变量会放到java/lang/Class中,而不会放到实例数据中;

对于引用类型的成员(包括string),存储的指针;对于基本类型,直接存储内容;通常会将基本类型存储在一起,引用类型存储在一起;

例如类Test的成员定义如下:

 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为基本类型,存储在一起;其它的引用类型存储在一起;int占用4bytes,不足8bytes,自动补足到8bytes;

补充知识:java的对象物理结构,以及对象头中MarkWord与锁的关系

java 对象头

我们都知道,Java对象存储在堆(Heap)内存。那么一个Java对象到底包含什么呢?概括起来分为对象头、对象体和对齐字节。

如下图所示:

对象的几个部分的作用:

1.对象头中的Mark Word(标记字)主要用来表示对象的线程锁状态,另外还可以用来配合GC、存放该对象的hashCode;

2.Klass Word是一个指向方法区中Class信息的指针,意味着该对象可随时知道自己是哪个Class的实例;

3.数组长度也是占用64位(8字节)的空间,这是可选的,只有当本对象是一个数组对象时才会有这个部分;

4.对象体是用于保存对象属性和值的主体部分,占用内存空间取决于对象的属性数量和类型;

5.对齐字是为了减少堆内存的碎片空间(不一定准确)。

了解了对象的总体结构,接下来深入地了解对象头的三个部分。

一、Mark Word(标记字)

以上是Java对象处于5种不同状态时,Mark Word中64个位的表现形式,上面每一行代表对象处于某种状态时的样子。其中各部分的含义如下:

lock:2位的锁状态标记位,由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息,所以设置了lock标记。该标记的值不同,整个Mark Word表示的含义不同。biased_lock和lock一起,表达的锁状态含义如下:

biased_lock:对象是否启用偏向锁标记,只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁,为0时表示对象没有偏向锁。lock和biased_lock共同表示对象处于什么锁状态。

age:4位的Java对象年龄。在GC中,如果对象在Survivor区复制一次,年龄增加1。当对象达到设定的阈值时,将会晋升到老年代。默认情况下,并行GC的年龄阈值为15,并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位,所以最大值为15,这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。

identity_hashcode:31位的对象标识hashCode,采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算,并会将结果写到该对象头中。当对象加锁后(偏向、轻量级、重量级),MarkWord的字节没有足够的空间保存hashCode,因此该值会移动到管程Monitor中。

thread:持有偏向锁的线程ID。

epoch:偏向锁的时间戳。

ptr_to_lock_record:轻量级锁状态下,指向栈中锁记录的指针。

ptr_to_heavyweight_monitor:重量级锁状态下,指向对象监视器Monitor的指针。

二、Klass Word(类指针)

这一部分用于存储对象的类型指针,该指针指向它的类元数据,JVM通过这个指针确定对象是哪个类的实例。该指针的位长度为JVM的一个字大小,即32位的JVM为32位,64位的JVM为64位。

如果应用的对象过多,使用64位的指针将浪费大量内存,统计而言,64位的JVM将会比32位的JVM多耗费50%的内存。为了节约内存可以使用选项+UseCompressedOops开启指针压缩,其中,oop即ordinary object pointer普通对象指针。

开启该选项后,下列指针将压缩至32位:

每个Class的属性指针(即静态变量)

每个对象的属性指针(即对象变量)

普通对象数组的每个元素指针

当然,也不是所有的指针都会压缩,一些特殊类型的指针JVM不会优化,比如指向PermGen的Class对象指针(JDK8中指向元空间的Class对象指针)、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和NULL指针等。

三、数组长度

如果对象是一个数组,那么对象头还需要有额外的空间用于存储数组的长度,这部分数据的长度也随着JVM架构的不同而不同:32位的JVM上,长度为32位;64位JVM则为64位。

64位JVM如果开启+UseCompressedOops选项,该区域长度也将由64位压缩至32位。

以上这篇浅谈java对象结构 对象头 Markword就是小编分享给大家的全部内容了,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持我们。

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