浅谈java对象结构 对象头 Markword

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)

无

00

轻量级锁

栈中锁记录的指针(64)

无

10

重量级锁

monitor的指针(64)

无

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。

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