HotSpot JVM 「02」Java Object Layout

作者：Samson

2022 年 6 月 26 日
本文字数：2389 字
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01-Klass and OOP

HotSpot JVM 实现中用 Klass-OOP 模型来表示 Java 中的类和对象。

图 1. Klass 的继承体系

图 2. oopDesc 的继承体系

Klass 结构是 .class 文件的运行时结构； oopDesc 结构是 Object 对象的运行时结构。

oopDesc（对象头）中包含了两部分信息（更多详细的内容参考[1]）：

mark word，存储了哈希码、锁信息、GC 元数据等。
klass word，类信息。注：应该是指针，指向 Metaspace 中的类结构。
possible alignment paddings，非必须

对象头后存储的是对象的实例数据。

图 3. oopDesc 布局示意图

JVM 中的普通对象表示为 instanceOopDesc，数组对象表示为 arrayOopDesc。两者在结构上的区别是，后者多了 4 个字节的长度信息。

02-Java Object Layout

在 32/64 位机器上，mark word 是有区别的（更多详细信息[1]）：

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)
64 bits:--------unused:25 hash:31 -->| unused_gap:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)JavaThread*:54 epoch:2 unused_gap:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)

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图 4. 32 bits mark word 可能的分配情况及其含义

图 5. 64 bits mark word 可能的分配情况及其含义

无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁升级过程（不可降级）？更多详细参考[1]
偏向锁获取：CAS 比较线程 ID，同一线程再次获得锁的效率提高。
偏向锁获取失败时，说明有其他线程加入抢锁的队伍，在到达 safepoint 后获得偏向锁的线程被挂起，判断锁对象是否处于锁定状态，并据此决定撤销偏向锁或升级为轻量级锁。
轻量级锁（自旋锁）：

借助工具查看 Java 对象内存布局？

HSDB [1]
jol [1, 2]
示例

public class SimpleInt {    private int state;}

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# Running 64-bit HotSpot VM.# Objects are 8 bytes aligned.# Field sizes by type: 8, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]# Array element sizes: 8, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
# ClassLayout.parseClass(SimpleInt.class).toPrintable()self.samson.example.jol.SimpleInt object internals: OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE      0    16        (object header)                           N/A     16     4    int SimpleInt.state                           N/A     20     4        (loss due to the next object alignment)Instance size: 24 bytesSpace losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total# ClassLayout.parseInstance(instance).toPrintable()self.samson.example.jol.SimpleInt 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)                           88 13 1a 1d (10001000 00010011 00011010 00011101) (488248200)     12     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)     16     4    int SimpleInt.state                           0     20     4        (loss due to the next object alignment)Instance size: 24 bytesSpace losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

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03-对象创建过程

在所有会创建对象的场景中，该类的某个特定构造器方法会被调用。

创建类的实例时，会在堆上开辟空间存放所有的 instance variables，包括其超类声明的实例变量（也包括被子类 hide 的变量）。
实例变量被初始化为默认值
在新创建对象的引用被返回之前，调用特定的 constructor（先执行 instance initializers 和 instance variable initializers）

class Super {	Super() { printThree(); }	void printThree() { System.out.println("three"); }}class Test extends Super {	int three = (int)Math.PI; // That is, 3	void printThree() { System.out.println(three); }	public static void main(String[] args) {		Test t = new Test();		t.printThree();	}}// 输出// 0// 3

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内存分配方式有哪些呢？
若堆是规整的，即使用过得放在一边，空闲未用的放在一边，在两者之间存在一个指针，称为分界指示器。分配方式就是指示器向空闲部分移动一定的大小。这种方式称为指针碰撞。
若堆不是规整的，空闲内存块列表记录在空闲列表中，分配方式为从空闲列表中取合适的大小分配给对象。
访问对象的方式有哪些呢？
通过句柄访问，栈中对象的引用指向的是句柄地址，句柄包含了实例数据与数据类型信息。对象移动时更方便。
直接访问，栈中对象的引用指向的是实例数据的地址。访问速度更高。
如何判断对象已经死亡？
引用计数，最直接，最简单，但不能解决循环引用问题，而且算法边界很多，不容易实现
可达性分析，从 GC Root 开始，根据引用关系向下搜索。GC Root 包括：栈中引用的对象、方法区中静态属性引用的对象、方法区中常量引用的对象、本地方法栈中 JNI 引用的对象、JVM 内部的引用例如 Class 对象、所有被 synchronized 持有的对象、JMX 内部中注册的回调等等。
应用类型？更多信息参考 [1]
强引用
软引用
弱引用
虚引用
如何判断一个类不再使用？同时满足以下三个条件：
类的所有实例已被回收
类的加载器已被回收（通常难以达成，除非特殊设计目的存在，例如 OSGI、JSP 的重加载等）
类对应的 Class 对象不被应用，也不能通过反射访问这个类