深入理解JVM干货教学 - 【Java对象结构】

创始人

2025-05-29 06:18:15

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🔥深入理解JVM干货教学 - 【Java对象结构】

1、Java检测工具（JOL）

在讲述Java 对象结构之前，我这边先引入一个我们常用的Java对象工具jol-core，jol-core
工具主要是：检查 JVM 中对象的内存布局。

1.1、工具使用（JOL）

第一步引入Maven包

org.openjdk.joljol-core0.10

第二步创建一个简单Bean 文件，打印当前类的对象信息


#创建一个简单类
public class NormalBean {
}
#执行public static void main(String[] args) {System.System.out.println(VM.current().details());System.System.out.println("-----------------------------------------");System.err.println(ClassLayout.parseInstance(NormalBean.class).toPrintable());}

执行后输出结果

----------------------------------结果输出-----------------------------# Running 64-bit HotSpot VM.
# Using compressed oop with 3-bit shift.
# Using compressed klass with 3-bit shift.
# WARNING | Compressed references base/shifts are guessed by the experiment!
# WARNING | Therefore, computed addresses are just guesses, and ARE NOT RELIABLE.
# WARNING | Make sure to attach Serviceability Agent to get the reliable addresses.
# Objects are 8 bytes aligned.
# Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
# Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
-----------------------------------------java.lang.Class object internals:OFFSET  SIZE                                              TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     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)                           df 03 00 f8 (11011111 00000011 00000000 11111000) (-134216737)12     4                     java.lang.reflect.Constructor Class.cachedConstructor                   null16     4                                   java.lang.Class Class.newInstanceCallerCache              null20     4                                  java.lang.String Class.name                                null24     4                                                   (alignment/padding gap)                  28     4                       java.lang.ref.SoftReference Class.reflectionData                      null32     4   sun.reflect.generics.repository.ClassRepository Class.genericInfo                         null36     4                                java.lang.Object[] Class.enumConstants                       null40     4                                     java.util.Map Class.enumConstantDirectory               null44     4                    java.lang.Class.AnnotationData Class.annotationData                      null48     4             sun.reflect.annotation.AnnotationType Class.annotationType                      null52     4                java.lang.ClassValue.ClassValueMap Class.classValueMap                       null56    32                                                   (alignment/padding gap)                  88     4                                               int Class.classRedefinedCount                 092   404                                                   (loss due to the next object alignment)
Instance size: 496 bytes
Space losses: 36 bytes internal + 404 bytes external = 440 bytes total

1.2、结果分析

第一个命令是打印当前VM详细信息

 System.System.out.println(VM.current().details());

不难发现，输入结果中包含两个特殊的英文
这里表示我们当前JDK 启用 oop 压缩模式，
oop 压缩是从 Java 7开始的默认行为，只要最大堆大小小于 32 GB。当最大堆大小超过 32 GB 时，JVM 将自动关闭 oop 压缩。需要以不同方式管理超过 32 Gb 堆大小的内存利用率。

在这里插入图片描述

第二个命令是打印当前Bean详细信息不难发现每个空Bean都有如下相同的部分。

2、Java对象结构

根据上面例子我们可以看出 Java 对象布局大致如图所示
PS : 如图是（64位系统）
在这里插入图片描述
大致可以分为三大部分：

Header （对象头）
Data Fields （实际数据）
Paddings （填充对齐）

2.1、Header

在JDK源码官网地址上明确指出,对象的组成主要包含三个关键词：Mark word 、 Class word、Array Length【特殊一些】

2.1.1 Mark Word

mark word 在该实现中占用的最小内存量：32 位平台为 4 个字节，64 位平台为 8 个字节
核心功能主要如下几点：

存储移动 GCs元数据【定向信息和对象年龄】
存储对象身份的HashCode
存储锁的信息【同步锁、xxx锁…】

2.1.1.1 为什么要是设计这个东西？
VM 在处理对象的时候特别快，必须在特别毫秒级或者更短的时间快速的获取到一个对象的信息，这就是为什么它必须放到了第一位的原因。
mark word 是每个Java 对象必须存在的东西，它存储的是对象内公共的标记，.
就好比我们居民身份证：标记姓名、编号、性别等…

2.1.2 存储移动 GCs元数据【定向信息和对象年龄】

利用Demo演示 header GC 过程中 header GC年龄发生变化的情况。

第一步配置一下JVM参数默认设置 1GB

-Xms1024m -Xmx1024m

static volatile Object sink;public static void main(String[] args) {System.out.println(VM.current().details());PrintWriter pw = new PrintWriter(System.out, true);Object o = new Object();ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(o);long lastAddr = VM.current().addressOf(o);pw.printf("*** Fresh object is at %x%n", lastAddr);System.out.println(layout.toPrintable());int moves = 0;for (int i = 0; i < 100000; i++) {long cur = VM.current().addressOf(o);if (cur != lastAddr) {moves++;pw.printf("*** Move %2d, object is at %x%n", moves, cur);System.out.println(layout.toPrintable());lastAddr = cur;}// make garbagefor (int c = 0; c < 10000; c++) {sink = new Object();}}long finalAddr = VM.current().addressOf(o);pw.printf("*** Final object is at %x%n", finalAddr);System.out.println(layout.toPrintable());pw.close();}

执行结果 PS : 执行采用64位-VM 展示

*** Fresh object is at 7ad0b6980
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)8   4        (object header: class)    0xf80001e512   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total*** Move  1, object is at 7bab20000
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000009 (non-biasable; age: 1)8   4        (object header: class)    0xf80001e512   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total*** Move  2, object is at 7bd588a28
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000011 (non-biasable; age: 2)8   4        (object header: class)    0xf80001e512   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total*** Move  3, object is at 7bab16870
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000019 (non-biasable; age: 3)8   4        (object header: class)    0xf80001e512   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total*** Move  4, object is at 7bd59e870
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000021 (non-biasable; age: 4)8   4        (object header: class)    0xf80001e512   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total*** Move  5, object is at 7bab20520
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000029 (non-biasable; age: 5)8   4        (object header: class)    0xf80001e512   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total*** Move  6, object is at 7bfe20058
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000031 (non-biasable; age: 6)8   4        (object header: class)    0xf80001e512   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total*** Move  7, object is at 780011030
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000031 (non-biasable; age: 6)8   4        (object header: class)    0xf80001e512   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total*** Final object is at 780011030
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000031 (non-biasable; age: 6)8   4        (object header: class)    0xf80001e512   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

结论分析
观察每个Value 值的确发送了变化与此同时 age 不断+1
PS：这里有一个点：关于后面两个age 有两次 6，是不是BUG？

PS：这个跟JVM 默认参数有关默认情况JDK 默认-XX:InitialTenuringThreshold=7 移动7次进入老年代，感兴趣小伙伴可以自行设置该值进行测试.

2.1.3 存储身份的HashCode

每个 Java 对象都有一个哈希码。当没有用户定义时，将使用身份哈希码。
哈希码两点特性：

分布离散，大部分对象来说不同对象HashCode 不同
幂等性

利用Demo演示 哈希码引起的 markword 的变化。

第一步配置一下JVM参数默认设置 1GB

-Xms1024m -Xmx1024m

 public static void main(String[] args) {System.out.println(VM.current().details());Student stu = new Student();ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(stu);System.out.println("---------原始对象 object");System.out.println(layout.toPrintable());System.out.println("hashCode: " + Integer.toHexString(stu.hashCode()));System.out.println();System.out.println("-----------获取完毕HashCode identityHashCode()");System.out.println(layout.toPrintable());}public static class A {// no fields}

执行结果 : PS : 执行采用64位-VM

---------原始对象 object
org.openjdk.jol.samples.JOLSample_15_IdentityHashCode$A object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0) ★  18   4        (object header: class)    0xf801339212   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes totalhashCode: 762efe5d  ★ 2-----------获取完毕HashCode identityHashCode()
org.openjdk.jol.samples.JOLSample_15_IdentityHashCode$A object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x000000762efe5d01 (hash: 0x762efe5d; age: 0)  ★ 38   4        (object header: class)    0xf801339212   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

结论

不难发现在没有获取Hash之前 Header 对象【★标注】，未执行之前 0x0000000000000001 执行以后 Header 发生了变化
0x000000762efe5d01 。

2.1.4 存储锁的信息 ★★

Java 程序中说锁没有一个不知道的，我们看看在Java底层结构中锁是如何被展示的。本章节先简单说一下锁的变化会引起对象Header markDown 发生变化。

演示

利用Demo演示 BiasedLocking 【偏向锁】 引起header发生变化的情况。

**第一步配置一下JVM参数
在 JDK 9 之前，偏向锁 [BiasedLocking]仅在 5 秒后启用
* VM 启动后。因此，测试最好用
* -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 在 JDK 8 及更低版本上。在 JDK 15 之后的版本，默认是关闭的需要手动设置 -XX:+UseBiasedLocking. **

-Xms1024m -Xmx1024m  -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

  public static void main(String[] args) {System.out.println(VM.current().details());final Student stu = new Student();ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(stu);System.out.println("---------原始对象 object");System.out.println(layout.toPrintable());synchronized (stu) {System.out.println("---------原始对象 object 进行加锁操作");System.out.println(layout.toPrintable());}System.out.println("---------原始对象 object 进行加锁后 对象信息");System.out.println(layout.toPrintable());}public static class Student {}

执行结果

---------原始对象 object
org.openjdk.jol.samples.JOLSample_12_BiasedLocking$A object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000005 (biasable; age: 0) ★8   4        (object header: class)    0xf801339212   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total---------原始对象 object 进行加锁操作
org.openjdk.jol.samples.JOLSample_12_BiasedLocking$A object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x00007ff9f1809005 (biased: 0x0000001ffe7c6024; epoch: 0; age: 0)★8   4        (object header: class)    0xf801339212   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total---------原始对象 object 进行加锁后 对象信息
org.openjdk.jol.samples.JOLSample_12_BiasedLocking$A object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x00007ff9f1809005 (biased: 0x0000001ffe7c6024; epoch: 0; age: 0)★8   4        (object header: class)    0xf801339212   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

结论

不难发现在没有获取Hash之前 Header 对象【★标注】，未执行之前 0x0000000000000005 执行以后 Header 发生了变化
0x00007ff9f1809005 。
PS：本章重点主要讲解对象锁核心内容是什么，具体锁是如何在对象中升级以及转换
可以参考如下文章：Java锁的升级-干货教学

2.1.2 KLass Word

从计算机的角度，对象本身实际上一些字节数据，当我们VM 在处理每个对象的时候他需要知道每个对象是什么？

KLass Word 主要核心功能：

运行时类型检查
确定对象的大小。
确定虚拟/接口调用的目标。

参考源码如下： Klass C源码地址

2.1.2.1 运行时类型检查

Klass 会存储元数据，元数据中会写入类信息、超类、以及实现接口等信息，这些信息在编译器编译过程中会直接一些流程的检查以及应用。

在这里插入图片描述

2.1.3 Array Length

除了我们场景的对象以外，我们说一下一个特殊的对象数组。数组中带有一小块元数据。对象类型仅对数组元素类型进行编码，因此需要将数组长度存储在其他位置。

演示

我们打印一下数据

  public static void main(String[] args) {System.out.println(VM.current().details());System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new long[0]).toPrintable());for (int size = 0; size <= 8; size++) {System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new byte[size]).toPrintable());}}

[J object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)8   4        (object header: class)    0xf80001a912   4        (array length)            016   0   long [J.             N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total[B object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)8   4        (object header: class)    0xf80000f512   4        (array length)            016   0   byte [B.             N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total[B object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)8   4        (object header: class)    0xf80000f512   4        (array length)            116   1   byte [B.             N/A17   7        (object alignment gap)    
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 7 bytes external = 7 bytes total[B object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)8   4        (object header: class)    0xf80000f512   4        (array length)            216   2   byte [B.             N/A18   6        (object alignment gap)    
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 6 bytes external = 6 bytes total
.......................
ta
.......................
[B object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)8   4        (object header: class)    0xf80000f512   4        (array length)            816   8   byte [B.             N/A
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

结论

随着数据不断变化 (array length) 也不断变化

2.2、实际数据以及Padding

下面用一个简单Demo 演示一下数据如何进行填充的

演示

 public static void main(String[] args) {StudentOne student =new StudentOne();System.out.println(ClassLayout.parseInstance(student).toPrintable());}public static  class StudentOne {private long state;}

执行结果【64位系统】

org.openjdk.jol.samples.JOLSample_Padding$StudentOne object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)8   4        (object header: class)    0xf800c14312   4        (alignment/padding gap)   16   8   long StudentOne.state          0
Instance size: 24 bytes ★
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total  ★

分析结论

我们采用64位虚拟机
我们看一下 long 本身占用 8 bytes ，它的偏移 16-8=8bytes ，Header：一共 8+4=12 bytes 。
一共才 12+8=20 bytes
但是是写显示 24 bytes ，为什么呢?

原因： VM 为了使这个大小成为 8 字节的倍数，JVM 添加了 4 字节的填充。

Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total ★

思考能否修改对齐方式？

我们在执行之前执行一下JVM配置测试一下这个类

 -XX:ObjectAlignmentInBytes=16

org.openjdk.jol.samples.JOLSample_Padding$StudentOne object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)8   4        (object header: class)    0x00060a1812   4        (alignment/padding gap)   16   8   long StudentOne.state          024   8        (object alignment gap)    
Instance size: 32 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 8 bytes external = 12 bytes total

针对这个同一个对象他的填充方式按照16 bytes 进行填充，并没有截断 data 实际数据中，这样才能更好以16字节。
在这里插入图片描述

词库加载错误:未能找到文件“E:\highferrum_mysql\Configuration\Dict_Stopwords.txt”。

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1.1、工具使用（JOL）

1.2、结果分析

2、Java对象结构

2.1、Header

2.1.1 Mark Word

2.1.2 存储移动 GCs元数据【定向信息和对象年龄】

2.1.3 存储身份的HashCode

2.1.4 存储锁的信息 ★★

2.1.2 KLass Word

2.1.2.1 运行时类型检查

2.1.3 Array Length

演示

结论

2.2、实际数据以及Padding

演示

执行结果【64位系统】

分析结论

思考能否修改对齐方式？

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