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Java对象在内存中的布局 Java对象在内存中的布局是怎样实现的?

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想了解Java对象在内存中的布局是怎样实现的?的相关内容吗,yamikaze在本文为您仔细讲解Java对象在内存中的布局的相关知识和一些Code实例,欢迎阅读和指正,我们先划重点:Java对象在内存中的布局,Java对象,下面大家一起来学习吧。

1、-XX:FieldsAllocationStyle

对象在内存中的布局首要相关配置就是FieldsAllocationStyle,这个配置有3个可选值,即0、1、2。当值为2的时候,会经过一些逻辑判断最终转化为0或者1.

当然,上面这2种分配策略只是针对大部分正常情况而言,有以下几种情况是会有所区别的(只是有部分区别,大致是没有问题的)

其他:

由于在计算对象字段的布局(字段基于对象起始位置的偏移量)时,当前类上述各种类型变量的个数是已知的,所以每种类型的起始偏移量就可以通过计算得到,如下:

next_nonstatic_word_offset  = next_nonstatic_double_offset +
                                (nonstatic_double_count * BytesPerLong);
next_nonstatic_short_offset = next_nonstatic_word_offset +
  (nonstatic_word_count * BytesPerInt);
next_nonstatic_byte_offset  = next_nonstatic_short_offset +
  (nonstatic_short_count * BytesPerShort);
next_nonstatic_padded_offset = next_nonstatic_byte_offset +
  nonstatic_byte_count;

而对于oops对象的偏移量处理会比较特殊,如果-XX:FieldsAllocationStyle=0, 那么oops的偏移量起始位置就为对象头之后,如果-XX:FieldsAllocationStyle=1, 则会进行下列处理,使得next_nonstatic_padded_offset与heapOopSize是对齐的。如下:

// let oops jump before padding with this allocation style
if( allocation_style == 1 ) {
  next_nonstatic_oop_offset = next_nonstatic_padded_offset;
  if( nonstatic_oop_count > 0 ) {
    next_nonstatic_oop_offset = align_size_up(next_nonstatic_oop_offset, heapOopSize);
  }
  next_nonstatic_padded_offset = next_nonstatic_oop_offset + (nonstatic_oop_count * heapOopSize);
}

同时由于这个oops补齐操作以及计算完所有字段的偏移量之后,会再进行补齐操作,与heapOopSize进行对齐,heapOopSize在开启和关闭压缩指针的情况下,值分表为4和8。

2、-XX:CompactFields

-XX:CompactFields表示是否将对象中较窄的数据插入到间隙中,-XX:+CompactFields表示插入,-XX:-CompactFields则是不插入。默认JVM是开启插入的。

那么这儿就要讨论一下为什么会插入,以及怎么插入?

首先需要了解Java对象的大致内存布局,最开始的一块区域存放对象标记以及元数据指针,然后才是实例数据,如下图所示:

在这里插入图片描述

它们分别对应普通对象与数组对象在内存中的布局。由于对象字段布局是在Class文件解析的时候计算的,而数组类没有对应的Class文件,所以数组对象的布局这儿不做讨论。

继续回到刚刚的话题,将对象中较窄数据的插入间隙,可以细分为2种情况

最终可以得到如下图所示:

在这里插入图片描述

间隙插入受-XX:CompactFields影响外,还受到配置-XX:-UseCompressedOops的影响,回到上面的对齐,在开启压缩指针的情况下,元数据指针占8个字节,这时候按照上面的细分情况1,也就不存在对齐了,而细分的情况二,由于父类在计算完字段偏移量之后会与heapOopSize对齐,heapOopSize在开启压缩指针的情况下为jintSize, 关闭的情况下为oopSize,分别对应4和8, 也就是关闭压缩指针的情况下,无论如何都不会发生间隙插入。

3、@sun.misc.Contended

@sun.misc.Contended也会影响对象在内存中的布局,这个注解是为了解决伪共享(False Sharing)的问题,关于伪共享的问题这儿就不讲解了。

@sun.misc.Contended 可以用于修饰类、也可以用于修饰字段。

对于在类上的修饰来讲,会在2个地方增加ContendedPaddingWidth,这个变量值为128。

一个地方是对象标记和元数据指针 + 父类实例数据(当前可能没有父类实例数据)之后 + ContendedPaddingWidth,然后再与8位进行对齐,另一个地方是,所有的非Contended实例字段偏移量计算完毕后,再加上ContendedPaddingWidth。

处理完类,接下来是字段,这儿的字段偏移量计算跟上面不一样,并没有按照double/long、ints、chars/shorts、bytes/booleans的顺序来,而是按照@sun.misc.Contended对应的group来进行计算,相同group的字段会放在一起,不同group的字段之间会以ContendedPaddingWidth来隔开,这儿比较特殊的情况是默认分组,默认分组为0,这个分组对应的每个字段在计算完偏移量之后都会加上ContendedPaddingWidth。所以@sun.misc.Contended修饰的字段布局如下图所示:

在这里插入图片描述

同时在计算每个字段偏移前,会使当前的偏移量与当前字段类型所对应的字节数对齐,例如int,当前偏移量会以4字节进行对齐,对齐之后的偏移量为当前int字段的偏移量。

4、静态字段的偏移量计算

静态字段的偏移量计算不受-XX:FieldsAllocationStyle和-XX:CompactFields的影响,会直接按照

oops、double/long、ints、chars/shorts、bytes/booleans的顺序进行偏移量的计算。

同时给静态字段 加上@sun.misc.Contended不会起到任何作用。

5、示例

5.1、-XX:FieldsAllocationStyle

测试代码:

final class NoChild {
    private Boolean value = Boolean.TRUE;
    private byte b;
    private int i;
}

@Test
public void test() {
  declaredFields = NoChildContended.class.getDeclaredFields();
  for (Field field : declaredFields) {
    if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
      long offset = unsafe.staticFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " static field " + field.getName() + 					" offset is " + offset);
    } else {
      long offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " field " + field.getName() + " 						offset is " + offset);
    }
  }
}

运行结果:

-XX:FieldsAllocationStyle=0 -XX:-UseCompressedOops
//可以看到对象实例数据顺序为value、int、byte,这儿由于没有开启指针压缩,所以对象引用占了8个字节。
org.yamikaze.NoChild field value offset is 16
org.yamikaze.NoChild field b offset is 28
org.yamikaze.NoChild field i offset is 24
-XX:FieldsAllocationStyle=1 -XX:-UseCompressedOops
//可以看到先分配 int变量 i,其次byte变量 b,最后才是对象 value
//这儿的byte变量b偏移是20,占用大小1字节,而经过对齐之后,会产生3个字节的align
org.yamikaze.NoChild field value offset is 24
org.yamikaze.NoChild field b offset is 20
org.yamikaze.NoChild field i offset is 16

5.2、-XX:CompactFields

测试代码:

class Parent {
    private long value;
    private int j;
    private byte b;
}

class Child2 extends Parent {
    private byte d;
    private long a;
    private int f;
}

@Test
public void test() {
  
  Child2 c = new Child2();
  Unsafe unsafe = UnSafeUtils.getUnsafe();
  Field[] declaredFields = c.getClass().getSuperclass().getDeclaredFields();
  for (Field field : declaredFields) {

    if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
      long offset = unsafe.staticFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " static field " + field.getName() + 				" offset is " + offset);
    } else {
      long offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " field " + field.getName() + " 						offset is " + offset);
    }
  }

  declaredFields = c.getClass().getDeclaredFields();
  for (Field field : declaredFields) {
    if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
      long offset = unsafe.staticFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " static field " + field.getName() + 				" offset is " + offset);

    } else {
      long offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " field " + field.getName() + " 					offset is " + offset);
    }
  }
}

测试结果:

-XX:+CompactFields -XX:+UseCompressedOops
//可以看到子类Child2的变量f并没有按照double/long、ints、shorts/chars、bytes/booleans的顺序计算偏移量,
//而是插入到了间隙里面
org.yamikaze.Parent field value offset is 16
org.yamikaze.Parent field j offset is 12
org.yamikaze.Parent field b offset is 24
org.yamikaze.Child2 field d offset is 40
org.yamikaze.Child2 field a offset is 32
org.yamikaze.Child2 field f offset is 28
-XX:-CompactFields -XX:+UseCompressedOops
//由于关闭了CompactFields,所以变量f的按照上面的顺序进行偏移量计算
org.yamikaze.Parent field value offset is 16
org.yamikaze.Parent field j offset is 24
org.yamikaze.Parent field b offset is 28
org.yamikaze.Child2 field d offset is 44
org.yamikaze.Child2 field a offset is 32
org.yamikaze.Child2 field f offset is 40

5.3、Contended

测试代码:

@Contended
final class NoChildContended {

    private byte b;

    @Contended("aaa")
    private double value;

    @Contended("bbb")
    private int value1;
}

@Test
public void test() {
  declaredFields = NoChildContended.class.getDeclaredFields();
  for (Field field : declaredFields) {

    if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
      long offset = unsafe.staticFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " static field " + field.getName() + " offset is " + offset);

    } else {
      long offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " field " + field.getName() + " offset is " + offset);
    }
  }
}

测试结果:

-XX:-RestrictContended
同分组时:
org.yamikaze.NoChildContended field b offset is 140
org.yamikaze.NoChildContended field value offset is 272
org.yamikaze.NoChildContended field value1 offset is 280
不同分组(默认分组):
org.yamikaze.NoChildContended field b offset is 140
org.yamikaze.NoChildContended field value offset is 272
org.yamikaze.NoChildContended field value1 offset is 408

可以看到,由于Class上有@sun.misc.Contended注解修饰,导致byte变量的偏移量很大(12 + 128) 同样byte变量之后的value,偏移量再次增加了128,达到272(141 + 128 = 269然后与4字节对齐得到272),然后相同分组的value1紧跟着value,而在不同分组的情况下,value1和value之间又隔了128。

6、其他

6.1、通过Unsafe获取实例字段和静态字段的偏移量

//实例字段
unsafe.objectFieldOffset(field);
//静态字段
unsafe.staticFieldOffset(field);

6.2、Unsafe是如何进行实例字段和静态字段偏移量的获取,以及如何通过CAS操作改变值

回到上文的偏移量计算,在经过计算后,每个字段相对于对象头的偏移量都是已知的,这个偏移量会保存到字段信息里面去,那么获取字段偏移量也很简单,直接拿到字段相关信息取得offset即可,而通过CAS操作改变字段的值也很简单,当前对象指针加上字段偏移量就是当前字段在内存中的地址,直接通过指针更字段值即可。

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