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JVM之内存布局与对象大小.md

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本文章来源于：https://github.com/Zeb-D/my-review ，请star 强力支持，你的支持，就是我的动力。

Java对象内存布局

[TOC]

在Java中基本数据类型的大小，

例如int类型占4个字节、long类型占8个字节，那么Integer对象和Long对象会占用多少内存呢？

本文结合JVM相关的书籍以及网上的大神，

从基本数据类型到对应的包装类型、再到引用类型，也会从指针压缩（64位机器）来分别探讨对象的内存结构以及对象大小

对象的内存布局

一个Java对象在内存中包括对象头、实例数据和补齐填充3个部分：

img

对象头

  • Mark Word：包含一系列的标记位，比如轻量级锁的标记位，偏向锁标记位等等。在32位系统占4字节，在64位系统中占8字节；
  • Class Pointer：用来指向对象对应的Class对象（其对应的元数据对象）的内存地址。在32位系统占4字节，在64位系统中占8字节；
  • Length：如果是数组对象，还有一个保存数组长度的空间，占4个字节；

对象实际数据

对象实际数据包括了对象的所有成员变量，其大小由各个成员变量的大小决定，比如：byte和boolean是1个字节，short和char是2个字节，int和float是4个字节，long和double是8个字节，reference是4个字节（64位系统中是8个字节）。

Primitive Type Memory Required(bytes)
boolean 1
byte 1
short 2
char 2
int 4
float 4
long 8
double 8

对于reference类型来说，在32位系统上占用4bytes, 在64位系统上占用8bytes。

对齐填充

Java对象占用空间是8字节对齐的，即所有Java对象占用bytes数必须是8的倍数。例如，一个包含两个属性的对象：int和byte，这个对象需要占用8+4+1=13个字节，这时就需要加上大小为3字节的padding进行8字节对齐，最终占用大小为16个字节。

注意：以上对64位操作系统的描述是未开启指针压缩的情况，关于指针压缩会在下文中介绍。

对象头占用空间大小

这里说明一下32位系统和64位系统中对象所占用内存空间的大小：

  • 在32位系统下，存放Class Pointer的空间大小是4字节，MarkWord是4字节，对象头为8字节;
  • 在64位系统下，存放Class Pointer的空间大小是8字节，MarkWord是8字节，对象头为16字节;
  • 64位开启指针压缩的情况下，存放Class Pointer的空间大小是4字节，MarkWord是8字节，对象头为12字节;
  • 如果是数组对象，对象头的大小为：数组对象头8字节+数组长度4字节+对齐4字节=16字节。其中对象引用占4字节（未开启指针压缩的64位为8字节），数组MarkWord为4字节（64位未开启指针压缩的为8字节）;
  • 静态属性不算在对象大小内。

指针压缩

从上文的分析中可以看到，64位JVM消耗的内存会比32位的要多大约1.5倍，这是因为对象指针在64位JVM下有更宽的寻址。对于那些将要从32位平台移植到64位的应用来说，平白无辜多了1/2的内存占用，这是开发者不愿意看到的。

从JDK 1.6 update14开始，64位的JVM正式支持了 -XX:+UseCompressedOops 这个可以压缩指针，起到节约内存占用的新参数。

什么是OOP？

OOP的全称为：Ordinary Object Pointer，就是普通对象指针。启用CompressOops后，会压缩的对象：

  • 每个Class的属性指针（静态成员变量）；
  • 每个对象的属性指针；
  • 普通对象数组的每个元素指针。

当然，压缩也不是所有的指针都会压缩，对一些特殊类型的指针，JVM是不会优化的，例如指向PermGen的Class对象指针、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和NULL指针不会被压缩。

启用指针压缩

在Java程序启动时增加JVM参数：-XX:+UseCompressedOops来启用。

注意：32位HotSpot VM是不支持UseCompressedOops参数的，只有64位HotSpot VM才支持。

本文中使用的是JDK 1.8，默认该参数就是开启的。

查看对象的大小

接下来我们使用http://www.javamex.com/中提供的classmexer.jar来计算对象的大小。

运行环境：JDK 1.8，Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM


Shallow Size Retained Size

普及下 计算对象属性及引用导致大小的相关概念

Shallow Size 对象自身占用的内存大小，不包括它引用的对象。 针对非数组类型的对象，它的大小就是对象与它所有的成员变量大小的总和。当然这里面还会包括一些java语言特性的数据存储单元。 针对数组类型的对象，它的大小是数组元素对象的大小总和。

Retained Size Retained Size=当前对象大小+当前对象可直接或间接引用到的对象的大小总和。(间接引用的含义：A->B->C, C就是间接引用) 换句话说，Retained Size就是当前对象被GC后，从Heap上总共能释放掉的内存。 不过，释放的时候还要排除被GC Roots直接或间接引用的对象。他们暂时不会被被当做Garbage。

有关Shallow Size和Retained Size 详细请参考http://blog.csdn.net/e5945/article/details/7708253。

基本数据类型

对于基本数据类型来说，是比较简单的，因为我们已经知道每个基本数据类型的大小。代码如下：

/**
 * VM options:
 * -javaagent:/Users/sangjian/dev/source-files/classmexer-0_03/classmexer.jar
 * -XX:+UseCompressedOops
 */
public class TestObjectSize {


    int a;
    long b;
    static int c;

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TestObjectSize testObjectSize = new TestObjectSize();
        // 打印对象的shallow size
        System.out.println("Shallow Size: " + MemoryUtil.memoryUsageOf(testObjectSize) + " bytes");
        // 打印对象的 retained size
        System.out.println("Retained Size: " + MemoryUtil.deepMemoryUsageOf(testObjectSize) + " bytes");
        System.in.read();
    }
}

注意：在运行前需要设置javaagent参数，在JVM启动参数中添加-javaagent:/path_to_agent/classmexer.jar来运行。


开启指针压缩的情况

运行查看结果：

Shallow Size: 24 bytes
Retained Size: 24 bytes

根据上文的分析可以知道，64位开启指针压缩的情况下：

  • 对象头大小=Class Pointer的空间大小为4字节+MarkWord为8字节=12字节；
  • 实际数据大小=int类型4字节+long类型8字节=12字节（静态变量不在计算范围之内）

在MAT中分析的结果如下：

img

所以大小是24字节。其实这里并没有padding，因为正好是24字节。如果我们把long b;换成int b;之后，再来看一下结果：

Shallow Size: 24 bytes
Retained Size: 24 bytes

大小并没有变化，说明这里做了padding，并且padding的大小是4字节。

这里的Shallow Size和Retained Size是一样的，因为都是基本数据类型。

关闭指针压缩的情况

如果要关闭指针压缩，在JVM参数中添加-XX:-UseCompressedOops来关闭，再运行上述代码查看结果：

Shallow Size: 24 bytes
Retained Size: 24 bytes

分析一下在64位未开启指针压缩的情况下：

  • 对象头大小=Class Pointer的空间大小为8字节+MarkWord为8字节=16字节；
  • 实际数据大小=int类型4字节+long类型8字节=12字节（静态变量不在计算范围之内）；

这里计算后大小为16+12=28字节，这时候就需要padding来补齐了，所以padding为4字节，最后的大小就是32字节。

我们再把long b;换成int b;之后呢？通过上面的计算结果可以知道，实际数据大小就应该是int类型4字节+int类型4字节=8字节，对象头大小为16字节，那么不需要做padding，对象的大小为24字节：

Shallow Size: 24 bytes
Retained Size: 24 bytes

数组类型

64位系统中，数组对象的对象头占用24 bytes，启用压缩后占用16字节。比普通对象占用内存多是因为需要额外的空间存储数组的长度。基础数据类型数组占用的空间包括数组对象头以及基础数据类型数据占用的内存空间。由于对象数组中存放的是对象的引用，所以数组对象的Shallow Size=数组对象头+length * 引用指针大小，Retained Size=Shallow Size+length*每个元素的Retained Size。

代码如下：

/**
 * VM options:
 * -javaagent:/Users/sangjian/dev/source-files/classmexer-0_03/classmexer.jar
 * -XX:+UseCompressedOops
 */
public class TestObjectSize {


    long[] arr = new long[6];

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TestObjectSize testObjectSize = new TestObjectSize();
        // 打印对象的shallow size
        System.out.println("Shallow Size: " + MemoryUtil.memoryUsageOf(testObjectSize) + " bytes");
        // 打印对象的 retained size
        System.out.println("Retained Size: " + MemoryUtil.deepMemoryUsageOf(testObjectSize) + " bytes");
        System.in.read();
    }
}

开启指针压缩的情况

结果如下：

Shallow Size: 16 bytes
Retained Size: 80 bytes

Shallow Size比较简单，这里对象头大小为12字节， 实际数据大小为4字节，所以Shallow Size为16。

对于Retained Size来说，要计算数组占用的大小，对于数组来说，它的对象头部多了一个用来存储数组长度的空间，该空间大小为4字节，所以*数组对象的大小=引用对象头大小12字节+存储数组长度的空间大小4字节+数组的长度数组中对象的Retained Size+padding大小**

下面分析一下上述代码中的long[] arr = new long[6];，它是一个长度为6的long类型的数组，由于long类型的大小为8字节，所以数组中的实际数据是68=48字节，那么数组对象的大小=12+4+68+0=64，最终的Retained Size=Shallow Size + 数组对象大小=16+64=80。

通过MAT查看如下：

img

关闭指针压缩的情况

结果如下：

Shallow Size: 24 bytes
Retained Size: 96 bytes

这个结果大家应该能自己分析出来了，因为这时引用对象头为16字节，那么数组的大小=16+4+6*8+4=72，（这里最后一个4是padding），所以Retained Size=Shallow Size + 数组对象大小=24+72=96。

通过MAT查看如下：

img

包装类型

包装类（Boolean/Byte/Short/Character/Integer/Long/Double/Float）占用内存的大小等于对象头大小加上底层基础数据类型的大小。

包装类型的Retained Size占用情况如下：

Numberic Wrappers +useCompressedOops -useCompressedOops
Byte, Boolean 16 bytes 24 bytes
Short, Character 16 bytes 24 bytes
Integer, Float 16 bytes 24 bytes
Long, Double 24 bytes 24 bytes

代码如下：

/**
 * VM options:
 * -javaagent:/Users/sangjian/dev/source-files/classmexer-0_03/classmexer.jar
 * -XX:+UseCompressedOops
 */
public class TestObjectSize {


    Boolean a = new Boolean(false);
    Byte b = new Byte("1");
    Short c = new Short("1");
    Character d = new Character('a');
    Integer e = new Integer(1);
    Float f = new Float(2.5);
    Long g = new Long(123L);
    Double h = new Double(2.5D);

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TestObjectSize testObjectSize = new TestObjectSize();
        // 打印对象的shallow size
        System.out.println("Shallow Size: " + MemoryUtil.memoryUsageOf(testObjectSize) + " bytes");
        // 打印对象的 retained size
        System.out.println("Retained Size: " + MemoryUtil.deepMemoryUsageOf(testObjectSize) + " bytes");
        System.in.read();
    }
}

开启指针压缩的情况

结果如下：

Shallow Size: 48 bytes
Retained Size: 192 bytes

MAT中的结果如下：

img

关闭指针压缩的情况

结果如下：

Shallow Size: 80 bytes
Retained Size: 272 bytes

MAT中的结果如下：

img

String类型

在JDK1.7及以上版本中，java.lang.String中包含2个属性，一个用于存放字符串数据的char[], 一个int类型的hashcode, 部分源代码如下：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0
    ...
}

因此，在关闭指针压缩时，一个String对象的大小为：

  • Shallow Size=对象头大小16字节+int类型大小4字节+数组引用大小8字节+padding4字节=32字节；
  • Retained Size=Shallow Size+char数组的Retained Size。

在开启指针压缩时，一个String对象的大小为：

  • Shallow Size=对象头大小12字节+int类型大小4字节+数组引用大小4字节+padding4字节=24字节；
  • Retained Size=Shallow Size+char数组的Retained Size。

代码如下：

/**
 * VM options:
 * -javaagent:/Users/sangjian/dev/source-files/classmexer-0_03/classmexer.jar
 * -XX:+UseCompressedOops
 */
public class TestObjectSize {


    String s = "test";

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        TestObjectSize testObjectSize = new TestObjectSize();
        // 打印对象的shallow size
        System.out.println("Shallow Size: " + MemoryUtil.memoryUsageOf(testObjectSize) + " bytes");
        // 打印对象的 retained size
        System.out.println("Retained Size: " + MemoryUtil.deepMemoryUsageOf(testObjectSize) + " bytes");
        System.in.read();
    }
}

开启指针压缩的情况

结果如下：

Shallow Size: 16 bytes
Retained Size: 64 bytes

MAT中的结果如下：

img

关闭指针压缩的情况

结果如下：

Shallow Size: 24 bytes
Retained Size: 88 bytes

MAT中的结果如下：

img

其他引用类型的大小

根据上面的分析，可以计算出一个对象在内存中的占用空间大小情况，其他的引用类型可以参考分析计算过程来计算内存的占用情况。

关于padding

思考这样一个问题，是不是padding都加到对象的后面呢，如果对象头占12个字节，对象中只有1个long类型的变量，那么该long类型的变量的偏移起始地址是在12吗？用下面一段代码测试一下：

@SuppressWarnings("ALL")
public class PaddingTest {

    long a;

    private static Unsafe UNSAFE;

    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {
        System.out.println(UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("a")));
    }

}

这里使用Unsafe类来查看变量的偏移地址，运行后结果如下：

16

如果是换成int类型的变量呢？结果是12。

现在一般的CPU一次直接操作的数据可以到64位，也就是8个字节，那么字长就是64，而long类型本身就是占64位，如果这时偏移地址是12，那么需要分两次读取该数据，而如果偏移地址从16开始只需要通过一次读取即可。int类型的数据占用4个字节，所以可以从12开始。

把上面的代码修改一下：

@SuppressWarnings("ALL")
public class PaddingTest {

    long a;

    byte b;

    byte c;

    private static Unsafe UNSAFE;

    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {
        System.out.println(UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("a")));
        System.out.println(UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("b")));
        System.out.println(UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("c")));
    }

}

运行结果如下：

16
12
13

在本例中，如果变量的大小小于等于4个字节，那么在分配内存的时候会先优先分配，因为这样可以减少padding，比如这里的b和c变量；如果这时达到了16个字节，那么其他的变量按照类型所占内存的大小降序分配。

再次修改代码：

/**
 * VM options: -javaagent:D:\source-files\classmexer.jar
 */
@SuppressWarnings("ALL")
public class PaddingTest {

    boolean a;
    byte b;

    short c;
    char d;

    int e;
    float f;

    long g;
    double h;

    private static Unsafe UNSAFE;

    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {
        System.out.println("field a --> "+ UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("a")));
        System.out.println("field b --> "+ UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("b")));
        System.out.println("field c --> "+ UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("c")));
        System.out.println("field d --> "+ UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("d")));
        System.out.println("field e --> "+ UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("e")));
        System.out.println("field f --> "+ UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("f")));
        System.out.println("field g --> "+ UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("g")));
        System.out.println("field h --> "+ UNSAFE.objectFieldOffset(PaddingTest.class.getDeclaredField("h")));

        PaddingTest paddingTest = new PaddingTest();

        System.out.println("Shallow Size: "+ MemoryUtil.memoryUsageOf(paddingTest));
        System.out.println("Retained Size: " + MemoryUtil.deepMemoryUsageOf(paddingTest));
    }

}

结果如下：

field a --> 40
field b --> 41
field c --> 36
field d --> 38
field e --> 12
field f --> 32
field g --> 16
field h --> 24
Shallow Size: 48
Retained Size: 48

可以看到，先分配的是int类型的变量e，因为它正好是4个字节，其余的都是先从g和h变量开始分配的，因为这两个变量是long类型和double类型的，占64位，最后分配的是a和b，它们只占一个字节。

如果分配到最后，这时字节数不是8的倍数，则需要padding。这里实际的大小是42字节，所以padding6字节，最终占用48字节。

扩展

jdk 有自带包 计算对象大小

除了有些通用的工具类 如java8的jdk.nashorn.internal.ir.debug.ObjectSizeCalculator，

另外，如果要在代码中运行期动态获取一个对象的大小，可以多研究下 java.lang.instrument 这里的类，可以从加载类到创建，到运行具体的方法都有个比较确切的运行机制，有点偏向于JVM GC打的日志，目前个人还没研究透这方面，有需求的小伙伴可以交流或者issue

相关属性在内存的偏移量

​ 可以UNSAFE.objectFieldOffset(Xxx.class.getDeclaredField("xFiled") 获取到该对象头后，相对的内存偏移量.

展望

其实内存分配及访问，也有可能涉及到cpu cache，路太长，先看看喵喵下

参考：

https://stackoverflow.com/questions/52353/in-java-what-is-the-best-way-to-determine-the-size-of-an-object