深入拆解 Java 虚拟机

在Java程序中，我们拥有多种新建对象的方式。除了最为常见的new语句之外，我们还可以通过反射机制、Object.clone方法、反序列化以及Unsafe.allocateInstance方法来新建对象。

其中，Object.clone方法和反序列化通过直接复制已有的数据，来初始化新建对象的实例字段。Unsafe.allocateInstance方法则没有初始化实例字段，而new语句和反射机制，则是通过调用构造器来初始化实例字段。

以new语句为例，它编译而成的字节码将包含用来请求内存的new指令，以及用来调用构造器的invokespecial指令。

// Foo foo = new Foo(); 编译而成的字节码
  0 new Foo
  3 dup
  4 invokespecial Foo()
  7 astore_1

提到构造器，就不得不提到Java对构造器的诸多约束。首先，如果一个类没有定义任何构造器的话， Java编译器会自动添加一个无参数的构造器。

// Foo类构造器会调用其父类Object的构造器
public Foo();
  0 aload_0 [this]
  1 invokespecial java.lang.Object() [8]
  4 return

然后，子类的构造器需要调用父类的构造器。如果父类存在无参数构造器的话，该调用可以是隐式的，也就是说Java编译器会自动添加对父类构造器的调用。但是，如果父类没有无参数构造器，那么子类的构造器则需要显式地调用父类带参数的构造器。

显式调用又可分为两种，一是直接使用“super”关键字调用父类构造器，二是使用“this”关键字调用同一个类中的其他构造器。无论是直接的显式调用，还是间接的显式调用，都需要作为构造器的第一条语句，以便优先初始化继承而来的父类字段。（不过这可以通过调用其他生成参数的方法，或者字节码注入来绕开。）

总而言之，当我们调用一个构造器时，它将优先调用父类的构造器，直至Object类。这些构造器的调用者皆为同一对象，也就是通过new指令新建而来的对象。

你应该已经发现了其中的玄机：通过new指令新建出来的对象，它的内存其实涵盖了所有父类中的实例字段。也就是说，虽然子类无法访问父类的私有实例字段，或者子类的实例字段隐藏了父类的同名实例字段，但是子类的实例还是会为这些父类实例字段分配内存的。

这些字段在内存中的具体分布是怎么样的呢？今天我们就来看看对象的内存布局。

# 压缩指针

在Java虚拟机中，每个Java对象都有一个对象头（object header），这个由标记字段和类型指针所构成。其中，标记字段用以存储Java虚拟机有关该对象的运行数据，如哈希码、GC信息以及锁信息，而类型指针则指向该对象的类。

在64位的Java虚拟机中，对象头的标记字段占64位，而类型指针又占了64位。也就是说，每一个Java对象在内存中的额外开销就是16个字节。以Integer类为例，它仅有一个int类型的私有字段，占4个字节。因此，每一个Integer对象的额外内存开销至少是400%。这也是为什么Java要引入基本类型的原因之一。

为了尽量较少对象的内存使用量，64位Java虚拟机引入了压缩指针[1]的概念（对应虚拟机选项-XX:+UseCompressedOops，默认开启），将堆中原本64位的Java对象指针压缩成32位的。

这样一来，对象头中的类型指针也会被压缩成32位，使得对象头的大小从16字节降至12字节。当然，压缩指针不仅可以作用于对象头的类型指针，还可以作用于引用类型的字段，以及引用类型数组。

那么压缩指针是什么原理呢？

打个比方，路上停着的全是房车，而且每辆房车恰好占据两个停车位。现在，我们按照顺序给它们编号。也就是说，停在0号和1号停车位上的叫0号车，停在2号和3号停车位上的叫1号车，依次类推。

原本的内存寻址用的是车位号。比如说我有一个值为6的指针，代表第6个车位，那么沿着这个指针可以找到3号车。现在我们规定指针里存的值是车号，比如3指代3号车。当需要查找3号车时，我便可以将该指针的值乘以2，再沿着6号车位找到3号车。

这样一来，32位压缩指针最多可以标记2的32次方辆车，对应着2的33次方个车位。当然，房车也有大小之分。大房车占据的车位可能是三个甚至是更多。不过这并不会影响我们的寻址算法：我们只需跳过部分车号，便可以保持原本车号*2的寻址系统。

上述模型有一个前提，你应该已经想到了，就是每辆车都从偶数号车位停起。这个概念我们称之为内存对齐（对应虚拟机选项-XX:ObjectAlignmentInBytes，默认值为8）。

默认情况下，Java虚拟机堆中对象的起始地址需要对齐至8的倍数。如果一个对象用不到8N个字节，那么空白的那部分空间就浪费掉了。这些浪费掉的空间我们称之为对象间的填充（padding）。

在默认情况下，Java虚拟机中的32位压缩指针可以寻址到2的35次方个字节，也就是32GB的地址空间（超过32GB则会关闭压缩指针）。

在对压缩指针解引用时，我们需要将其左移3位，再加上一个固定偏移量，便可以得到能够寻址32GB地址空间的伪64位指针了。

此外，我们可以通过配置刚刚提到的内存对齐选项（-XX:ObjectAlignmentInBytes）来进一步提升寻址范围。但是，这同时也可能增加对象间填充，导致压缩指针没有达到原本节省空间的效果。

举例来说，如果规定每辆车都需要从偶数车位号停起，那么对于占据两个车位的小房车来说刚刚好，而对于需要三个车位的大房车来说，也仅是浪费一个车位。

但是如果规定需要从4的倍数号车位停起，那么小房车则会浪费两个车位，而大房车至多可能浪费三个车位。

当然，就算是关闭了压缩指针，Java虚拟机还是会进行内存对齐。此外，内存对齐不仅存在于对象与对象之间，也存在于对象中的字段之间。比如说，Java虚拟机要求long字段、double字段，以及非压缩指针状态下的引用字段地址为8的倍数。

字段内存对齐的其中一个原因，是让字段只出现在同一CPU的缓存行中。如果字段不是对齐的，那么就有可能出现跨缓存行的字段。也就是说，该字段的读取可能需要替换两个缓存行，而该字段的存储也会同时污染两个缓存行。这两种情况对程序的执行效率而言都是不利的。

下面我来介绍一下对象内存布局另一个有趣的特性：字段重排列。

# 字段重排列

字段重排列，顾名思义，就是Java虚拟机重新分配字段的先后顺序，以达到内存对齐的目的。Java虚拟机中有三种排列方法（对应Java虚拟机选项-XX:FieldsAllocationStyle，默认值为1），但都会遵循如下两个规则。

其一，如果一个字段占据C个字节，那么该字段的偏移量需要对齐至NC。这里偏移量指的是字段地址与对象的起始地址差值。

以long类为例，它仅有一个long类型的实例字段。在使用了压缩指针的64位虚拟机中，尽管对象头的大小为12个字节，该long类型字段的偏移量也只能是16，而中间空着的4个字节便会被浪费掉。

其二，子类所继承字段的偏移量，需要与父类对应字段的偏移量保持一致。

在具体实现中，Java虚拟机还会对齐子类字段的起始位置。对于使用了压缩指针的64位虚拟机，子类第一个字段需要对齐至4N；而对于关闭了压缩指针的64位虚拟机，子类第一个字段则需要对齐至8N。

class A {
  long l;
  int i；
}

class B extends A {
  long l;
  int i;
}

我在文中贴了一段代码，里边定义了两个类A和B，其中B继承A。A和B各自定义了一个long类型的实例字段和一个int类型的实例字段。下面我分别打印了B类在启用压缩指针和未启用压缩指针时，各个字段的偏移量。

# 启用压缩指针时，B类的字段分布
B object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION
      0     4        (object header)
      4     4        (object header)
      8     4        (object header)
     12     4    int A.i                                       0
     16     8   long A.l                                       0
     24     8   long B.l                                       0
     32     4    int B.i                                       0
     36     4        (loss due to the next object alignment)

当启用压缩指针时，可以看到Java虚拟机将A类的int字段放置于long字段之前，以填充因为long字段对齐造成的4字节缺口。由于对象整体大小需要对齐至8N，因此对象的最后会有4字节的空白填充。

# 关闭压缩指针时，B类的字段分布
B object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION
      0     4        (object header)
      4     4        (object header)
      8     4        (object header)
     12     4        (object header)
     16     8   long A.l
     24     4    int A.i
     28     4        (alignment/padding gap)                  
     32     8   long B.l
     40     4    int B.i
     44     4        (loss due to the next object alignment)

当关闭压缩指针时，B类字段的起始位置需对齐至8N。这么一来，B类字段的前后各有4字节的空白。那么我们可不可以将B类的int字段移至前面的空白中，从而节省这8字节呢？

我认为是可以的，并且我修改过后的Java虚拟机也没有跑崩。由于HotSpot中的这块代码年久失修，公司的同事也已经记不得是什么原因了，那么姑且先认为是一些历史遗留问题吧。

Java 8还引入了一个新的注释@Contended，用来解决对象字段之间的虚共享（false sharing）问题[2]。这个注释也会影响到字段的排列。

虚共享是怎么回事呢？假设两个线程分别访问同一对象中不同的volatile字段，逻辑上它们并没有共享内容，因此不需要同步。

然而，如果这两个字段恰好在同一个缓存行中，那么对这些字段的写操作会导致缓存行的写回，也就造成了实质上的共享。（volatile字段和缓存行的故事我会在之后的篇章中详细介绍。）

Java虚拟机会让不同的@Contended字段处于独立的缓存行中，因此你会看到大量的空间被浪费掉。具体的分布算法属于实现细节，随着Java版本的变动也比较大，因此这里就不做阐述了。

如果你感兴趣，可以利用实践环节的工具，来查阅Contended字段的内存布局。注意使用虚拟机选项-XX:-RestrictContended。如果你在Java 9以上版本试验的话，在使用javac编译时需要添加 --add-exports java.base/jdk.internal.vm.annotation=ALL-UNNAME

# 总结和实践

今天我介绍了Java虚拟机构造对象的方式，所构造对象的大小，以及对象的内存布局。

常见的new语句会被编译为new指令，以及对构造器的调用。每个类的构造器皆会直接或者间接调用父类的构造器，并且在同一个实例中初始化相应的字段。

Java虚拟机引入了压缩指针的概念，将原本的64位指针压缩成32位。压缩指针要求Java虚拟机堆中对象的起始地址要对齐至8的倍数。Java虚拟机还会对每个类的字段进行重排列，使得字段也能够内存对齐。

今天的实践环节比较简单，你可以使用我在工具篇中介绍过的JOL工具，来打印你工程中的类的字段分布情况。

curl -L -O http://central.maven.org/maven2/org/openjdk/jol/jol-cli/0.9/jol-cli-0.9-full.jar
java -cp jol-cli-0.9-full.jar org.openjdk.jol.Main internals java.lang.String

[1] https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/CompressedOops
[2] http://openjdk.java.net/jeps/142