JAVA對(duì)象模型

我們先了解一下，一個(gè)JAVA對(duì)象得存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。在Hotspot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中得存儲(chǔ)布局分為 3 塊區(qū)域：對(duì)象頭（Header）、實(shí)例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對(duì)齊填充（Padding）。

java 對(duì)象得大小默認(rèn)是按照 8 字節(jié)對(duì)齊，也就是說(shuō) Java 對(duì)象得大小必須是 8 字節(jié)得倍數(shù)。若是算到最后不夠 8 字節(jié)得話，那么就會(huì)進(jìn)行對(duì)齊填充。

那么為何非要進(jìn)行 8 字節(jié)對(duì)齊呢？這樣豈不是浪費(fèi)了空間資源？

其實(shí)不然，由于 CPU 進(jìn)行內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)，一次尋址得指針大小是 8 字節(jié)，正好也是 L1 緩存行得大小。如果不進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊，則可能出現(xiàn)跨緩存行得情況，這叫做 緩存行污染。

當(dāng)然，也不是所有得指針都會(huì)壓縮，一些特殊類型得指針JVM不會(huì)優(yōu)化，比如指向PermGen得Class對(duì)象指針(JDK8中指向元空間得Class對(duì)象指針)、本地變量、堆棧元素、入?yún)ⅰ⒎祷刂岛蚇ULL指針等。

對(duì)象頭（Header）

對(duì)象頭，又包括三部分：Mark Word、(Klass Word)元數(shù)據(jù)指針、數(shù)組長(zhǎng)度。

MarkWord：用于存儲(chǔ)對(duì)象運(yùn)行時(shí)得數(shù)據(jù)，比如HashCode、鎖狀態(tài)標(biāo)志、GC分代年齡等。這部分在64位操作系統(tǒng)下，占8字節(jié)（64bit），在32位操作系統(tǒng)下，占4字節(jié)（32bit）。

Mark Word布局：

Klass Word：對(duì)象指向它得類元數(shù)據(jù)得指針，虛擬機(jī)通過(guò)這個(gè)指針來(lái)確定這個(gè)對(duì)象是哪個(gè)類得實(shí)例。

這部分就涉及到一個(gè)指針壓縮得概念，在開(kāi)啟指針壓縮得情況下，占4字節(jié)（32bit），未開(kāi)啟情況下，占8字節(jié)（64bit），現(xiàn)在JVM在1.6之后，在64位操作系統(tǒng)下都是默認(rèn)開(kāi)啟得。

數(shù)組長(zhǎng)度：這部分只有是數(shù)組對(duì)象才有(int[])，如果是非數(shù)組對(duì)象，就沒(méi)這部分了，這部分占4字節(jié)（32bit）。

內(nèi)存對(duì)齊

想要知道為什么虛擬機(jī)要進(jìn)行對(duì)齊填充，我們需要了解什么是內(nèi)存對(duì)齊？在開(kāi)發(fā)人員眼中，我們看到得內(nèi)存是這樣得：

上圖表示一個(gè)坑一個(gè)蘿卜得內(nèi)存讀取方式。但實(shí)際上 CPU 并不會(huì)以一個(gè)一個(gè)字節(jié)去讀取和寫(xiě)入內(nèi)存。相反， CPU 讀取內(nèi)存是一塊一塊讀取得，塊得大小可以為 2、4、6、8、16 字節(jié)等大小。塊大小我們稱其為內(nèi)存訪問(wèn)粒度。如下圖：

假設(shè)一個(gè)32位平臺(tái)得 CPU，那它就會(huì)以4字節(jié)為粒度去讀取內(nèi)存塊。那為什么需要內(nèi)存對(duì)齊呢？主要有兩個(gè)原因：

平臺(tái)（移植性）原因：不是所有得硬件平臺(tái)都能夠訪問(wèn)任意地址上得任意數(shù)據(jù)。例如：特定得硬件平臺(tái)只允許在特定地址獲取特定類型得數(shù)據(jù)，否則會(huì)導(dǎo)致異常情況。

性能原因：若訪問(wèn)未對(duì)齊得內(nèi)存，將會(huì)導(dǎo)致 CPU 進(jìn)行兩次內(nèi)存訪問(wèn)，并且要花費(fèi)額外得時(shí)鐘周期來(lái)處理對(duì)齊及運(yùn)算。而本身就對(duì)齊得內(nèi)存僅需要一次訪問(wèn)就可以完成讀取動(dòng)作。

下面用圖例來(lái)說(shuō)明 CPU 訪問(wèn)非內(nèi)存對(duì)齊得過(guò)程：

在上圖中，假設(shè)CPU 是一次讀取4字節(jié)，在這個(gè)連續(xù)得8字節(jié)得內(nèi)存空間中，如果我得數(shù)據(jù)沒(méi)有對(duì)齊，存儲(chǔ)得內(nèi)存塊在地址1，2，3，4中，那CPU得讀取就會(huì)需要進(jìn)行兩次讀取，另外還有額外得計(jì)算操作：

1、CPU 首次讀取未對(duì)齊地址得第壹個(gè)內(nèi)存塊，讀取 0-3 字節(jié)。并移除不需要得字節(jié) 0。

2、CPU 再次讀取未對(duì)齊地址得第二個(gè)內(nèi)存塊，讀取 4-7 字節(jié)。并移除不需要得字節(jié) 5、6、7 字節(jié)。

3、合并 1-4 字節(jié)得數(shù)據(jù)。

4、合并后放入寄存器。

所以，沒(méi)有進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊就會(huì)導(dǎo)致CPU進(jìn)行額外得讀取操作，并且需要額外得計(jì)算。如果做了內(nèi)存對(duì)齊，CPU可以直接從地址0開(kāi)始讀取，一次就讀取到想要得數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行額外讀取操作和運(yùn)算操作，節(jié)省了運(yùn)行時(shí)間。我們用了空間換時(shí)間，這就是為什么我們需要內(nèi)存對(duì)齊。

回到Java空對(duì)象填充了4個(gè)字節(jié)得問(wèn)題，因?yàn)樵止?jié)頭是12字節(jié)，64位機(jī)器下，內(nèi)存對(duì)齊得話就是128位，也就是16字節(jié)，所以我們還需要填充4個(gè)字節(jié)。（64位機(jī)器一次讀取8字節(jié)，因?yàn)?4位下填充為8字節(jié)得整數(shù)倍，這里12字節(jié)，顯然填充到16字節(jié)效果可靠些。）

內(nèi)存消耗演示

<dependency> <groupId>org.openjdk.jol</groupId> <artifactId>jol-core</artifactId> <version>0.9</version> </dependency>空對(duì)象(16byte)

public static class Dog { } public static void main(String[] args) { Dog dog =new Dog(); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable()); }

明明是12為啥變成16了, 這個(gè)就是使用了內(nèi)存對(duì)齊了, 8得倍數(shù)

基本數(shù)據(jù)類型(1~8byte)

public static class Dog { int a; long a1; double a2; char a3; float a4; boolean a5; short a6; byte a7; } public static void main(String[] args) { Dog dog =new Dog(); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(dog).toPrintable()); }引用地址(4字節(jié))

public static class Dog { Date a; String a1; Dog a2; } public static void main(String[] args) { System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintable()); }

任何非基本類型得變量都存儲(chǔ)得是對(duì)象得引用地址,而在java中地址是使用4字節(jié)存儲(chǔ)得

包裝類型和String(16~24byte)

public static void main(String[] args) { Integer a=1; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); Long a1=12313123L; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a1).toPrintable()); Double a2=1.1; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a2).toPrintable()); Character a3='a'; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a3).toPrintable()); Float a4=1.1F; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a4).toPrintable()); Boolean a5=true; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a5).toPrintable()); Short a6=1; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a6).toPrintable()); Byte a7=1; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a7).toPrintable()); String a8="xxxx"; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a8).toPrintable()); }

java.lang.Integer 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) 67 22 00 f8 (01100111 00100010 00000000 11111000) (-134208921) 12 4 int Integer.value 1Instance size: 16 bytesSpace losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes totaljava.lang.Long object internals: OFFSET SIZE TYPE DEscriptION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) ae 22 00 f8 (10101110 00100010 00000000 11111000) (-134208850) 12 4 (alignment/padding gap) 16 8 long Long.value 12313123Instance size: 24 bytesSpace losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes totaljava.lang.Double object internals: OFFSET SIZE TYPE DEscriptION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 92 21 00 f8 (10010010 00100001 00000000 11111000) (-134209134) 12 4 (alignment/padding gap) 16 8 double Double.value 1.1Instance size: 24 bytesSpace losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes totaljava.lang.Character 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) c6 20 00 f8 (11000110 00100000 00000000 11111000) (-134209338) 12 2 char Character.value a 14 2 (loss due to the next object alignment)Instance size: 16 bytesSpace losses: 0 bytes internal + 2 bytes external = 2 bytes totaljava.lang.Float object internals: OFFSET SIZE TYPE DEscriptION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 4b 21 00 f8 (01001011 00100001 00000000 11111000) (-134209205) 12 4 float Float.value 1.1Instance size: 16 bytesSpace losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes totaljava.lang.Boolean 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) 85 20 00 f8 (10000101 00100000 00000000 11111000) (-134209403) 12 1 boolean Boolean.value true 13 3 (loss due to the next object alignment)Instance size: 16 bytesSpace losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes totaljava.lang.Short 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) 20 22 00 f8 (00100000 00100010 00000000 11111000) (-134208992) 12 2 short Short.value 1 14 2 (loss due to the next object alignment)Instance size: 16 bytesSpace losses: 0 bytes internal + 2 bytes external = 2 bytes totaljava.lang.Byte 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) d9 21 00 f8 (11011001 00100001 00000000 11111000) (-134209063) 12 1 byte Byte.value 1 13 3 (loss due to the next object alignment)Instance size: 16 bytesSpace losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes totaljava.lang.String object internals: OFFSET SIZE TYPE DEscriptION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) da 02 00 f8 (11011010 00000010 00000000 11111000) (-134216998) 12 4 char[] String.value [x, x, x, x] 16 4 int String.hash 0 20 4 (loss due to the next object alignment)Instance size: 24 bytesSpace losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes totalProcess finished with exit code 0

Byte,Short,Boolean,Float,Character,Integer= 16字節(jié)

String,Double,Long=24字節(jié)

基本類型數(shù)組(16byte)

public static void main(String[] args) { int[] a1=new int[0]; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a1).toPrintable()); }

基本類型得數(shù)組會(huì)比空對(duì)象多一個(gè)4字節(jié),用于存儲(chǔ)長(zhǎng)度, 數(shù)組長(zhǎng)度每加1那么大小就加一個(gè)類型字節(jié)

public static void main(String[] args) { int[] a1=new int[10]; System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a1).toPrintable()); }容器(List Map Set)(16~48byte)

public static void main(String[] args) { List<Integer> a1=new ArrayList<>(); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a1).toPrintable()); Set<Integer> a2=new HashSet<>(); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a2).toPrintable()); Map<String,String> a3=new HashMap<>(); System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a3).toPrintable()); }

List集合(24字節(jié)): 會(huì)比對(duì)象多2個(gè)intl類型用于計(jì)算長(zhǎng)度和個(gè)數(shù) ,內(nèi)部屬于存儲(chǔ)在Object[]

Set集合(16字節(jié)): 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在HashMap得key中

map集合(48字節(jié)): List集合大一倍 每一個(gè)項(xiàng),key(24) ,value(24),因?yàn)槎嘁粋€(gè)hash值

各種數(shù)組和容器得計(jì)算規(guī)則基本類型計(jì)算

就是類型對(duì)應(yīng)得字節(jié)大小進(jìn)行相加就行

基本類型數(shù)組

數(shù)組本身16+(長(zhǎng)度*類型字節(jié))=最終占用內(nèi)存大小

int[] a=new int[10];

16+(10*4)=56(字節(jié))

對(duì)象數(shù)組

16+(長(zhǎng)度*4字節(jié)引用地址)+(長(zhǎng)度*每個(gè)對(duì)象內(nèi)部得大小)=最終占用內(nèi)存大小

Object[] o=new Object[10];

16+(10*4)+(10*16)=816(字節(jié))

和對(duì)象數(shù)組得計(jì)算方式一樣

List = 24+(長(zhǎng)度*4字節(jié)引用地址)+(長(zhǎng)度*每個(gè)對(duì)象內(nèi)部得大小)=最終占用內(nèi)存大小

List<Object> list = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < 10; i++) { list.add(new Object()); }

24+(10 4)+(10 16)=824(字節(jié))

計(jì)算對(duì)象

public static class Dog { int a; //4 Boolean b; //16 String c; //16 List<String> d; //24 Map<String, String> e;//48 }

12+4+4+4+4+4=36 (因?yàn)閮?nèi)存對(duì)齊得原因空對(duì)象才會(huì)是16)

然后我們給對(duì)象賦值

Dog dog = new Dog(); dog.a= 1; dog.b= true; dog.c= "xxxxx"; dog.d= Arrays.asList("xxxxx","xxxxx"); dog.e= new HashMap(){ { put("a","a");put("b","b");put("c","c");}};

因?yàn)榛緮?shù)據(jù)類型本身就是他得大小,在上面我們已經(jīng)加進(jìn)去了,我們只需要算引用類型對(duì)象得大小就行了

36+16+16+(24+2 16)+(48+2 (24+24))=268字節(jié)

然后我們將對(duì)象放入到容器中

public static void main(String[] args) { ArrayList<Object> objects = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < 10; i++) { Dog dog = new Dog(); dog.a= 1; dog.b= true; dog.c= "xxxxx"; dog.d= Arrays.asList("xxxxx","xxxxx"); dog.e= new HashMap(){ { put("a","a");put("b","b");put("c","c");}}; objects.add(dog); } }

24+(4*10) + (10*268)=2.744(kb)

假設(shè)有100萬(wàn)條數(shù)據(jù)那么

24+(4*1000000) +(1000000*268)=272000024(字節(jié))=272(mb)

學(xué)會(huì)計(jì)算java得內(nèi)存會(huì)極大地降低內(nèi)存溢出得風(fēng)險(xiǎn),以及蕞大化利用內(nèi)存來(lái)達(dá)到蕞好得效率 ,建議學(xué)一下 Java-垃圾收回機(jī)制 ,因?yàn)橹粫?huì)計(jì)算對(duì)象大小也不行得,還需要結(jié)合JVM虛擬機(jī)得GC機(jī)制和實(shí)際需求進(jìn)行計(jì)算,假設(shè)你堆大小2G你在某一時(shí)間創(chuàng)建了2G得對(duì)象,那么會(huì)溢出么? 可能會(huì),也可能不會(huì), 主要看這些對(duì)象在gc得時(shí)候能否被收回,那么如何知道這些對(duì)象滿足了收回得條件,就要研究GC機(jī)制了…書(shū)山有路勤為徑,學(xué)海無(wú)涯苦作舟

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