压缩指针：64 位系统下，Java 虚拟机是如何“偷”回 4 字节内存的？

Java 对象：在内存中的真面目

在 Java 中，通过 new 关键字创建一个 Java 类的实例对象时，该对象会通过碰撞指针方式存储在内存的堆中，并被分配一个内存地址。在 Java 虚拟机中，一个 Java 对象由对象头（Object Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）三部分构成。

对象头

对象头由两个字（计算机术语，表示计算机处理数据的最小单位）组成。如果对象是一个 Java 数组，对象头中还必须包含一部分用于记录数组长度的数据，因为虽然 Java 虚拟机可以通过 Java 对象的元数据信息确定 Java 对象的大小，但无法从数组的元数据中确定数组的大小。对象头的两个字分别是 Mark Word 和 Klass Pointer。1）Mark Word：即标记字段，用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、垃圾回收分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等。2）Klass Pointer：即类型指针，是对象指向它的类元数据的指针，Java 虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个 Java 类的实例。实例数据实例数据部分存储对象的属性字段信息。如果对象没有属性字段，那么这部分就不会有数据。字段类型的不同会占用不同的字节，例如，boolean 类型占 1 个字节，int 类型占 4 个字节等。

对齐填充

对齐填充是为了满足 Java 虚拟机堆中对象起始地址需要对齐至 8 的倍数的要求。如果一个对象未使用到 8N 个字节，则需要进行填充，以补齐对象头和实例数据占用内存后的剩余空间。字段内存对齐的目的之一是确保字段只出现在同一处理器的缓存行中。如果字段未对齐，可能会出现跨缓存行的字段，即该字段的读取可能需要替换两个缓存行，而该字段的存储也可能同时污染两个缓存行，这对程序执行效率都是不利的。实际上，对齐填充的最终目标是为了实现计算机的高效寻址。

压缩指针

在 64 位 Java 虚拟机中，对象头部的 Mark Word 和 Klass Pointer，分别占据 64 位，因此每个 Java 对象的内存额外开销就是 16 字节。以 Integer 类为例，它仅有一个 int 类型的私有字段，占用 4 字节，因此，每个 Integer 对象的内存开销至少增加 400%。这也是 Java 引入基本数据类型（Primitive Data Type）的原因之一。在 64 位系统中，普通的对象引用通常需要 64 位（8 字节）的空间。然而，对于许多应用程序，这种大尺寸的引用是不必要的，因为它们的堆内存使用量远小于 64 位地址空间的上限（即 18 亿 GB）。因此，64 位 Java 虚拟机引入了压缩指针（Compressed Pointer）技术，将 Java 对象指针压缩为 32 位。这样，对象头部中的 Klass Pointer 也被压缩为 32 位，从而将对象头部的大小从 16 字节减小到 12 字节。

工作原理

Java 虚拟机假设所有对象的大小都是 8 字节的倍数（不足将对齐填充），因此对象的实际地址可以表示为基地址加上一个偏移量，而这个偏移量是 8 的倍数。因此，Java 虚拟机只需要存储这个偏移量，而不是完整的 64 位地址。由于偏移量是 8 的倍数，所以它的最后三位总是 0，Java 虚拟机可以将这个偏移量右移三位，从而将其压缩到 32 位的空间。下面是 8 和它的倍数对应的二进制关系。

8 = 100016 = 1000024 = 1100032 = 10000040 = 10100048 = 11000056 = 11100064 = 100000072 = 1001000

可以看到，在二进制下，8 和它的倍数的后三位都是 0。因为后三位都是 0，所以可以在拿到地址后舍弃后三位，读取的时候加上后三位。这个过程可以用以下的伪代码表示。int offset = getObjectOffset(); // 获取对象的 32 位偏移量 offset = offset << 3; // 将偏移量左移三位 long address = HEAP_BASE + offset; // HEAP_BASE 是堆基地址，加上偏移量就可以得到对象的实际内存地址。需要注意的是，压缩指针技术只适用于堆内存大小小于 32GB 的情况。如果堆内存大小超过 32GB，那么 32 位的偏移量将不足以表示所有可能的对象位置，因此必须使用完整的 64 位引用。

未完待续

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