探索Java Object Header内存布局
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Java对象的内存占用主要分为三部分，对象头、成员变量以及内存对齐填充。本文主要探讨一下对象头中的字段，其内容主要包括两个部分，一是Mark Word，主要用于标记对象的状态，比如锁的状态信息，是轻量级锁、偏向锁还是重量级锁，还有hashCode值以及GC标识等等，二是Klass Pointer，用于记录当前实例所属的Class实例的指针。
包括继承自父类的成员变量
注释在不同的环境下，对象头部的内存占用大小是不同的，在64位环境，开启压缩指针时的情况下，对象头共占12个字节，其内存布局如下。
如果需要查看在其他环境下，对象头的内存布局以及大小占用请点击查看更多按钮。
上图右边表示当前对象的状态，State对应左边表示的是当前状态下，该对象头部字段存储的数据，也就是说在不同状态下，对象头中保存的数据是不完全相同的，但是Klass Pointer是不会变的，所以下面主要分析Mark Word部分，首先引入jol-core，它的全称是Java Object Layout Core，一个用来分析JVM中对象内存布局的工具。
implementation 'org.openjdk.jol:jol-core:0.16'下面使用它来分析实例在不同状态下其对象头内存布局。
正常Normal状态
正常状态下，Mark Word保存了identity_hashcode(对象的hashCode)，age(分代年龄)，biased_lock(偏向锁标识位)=0，lock(锁状态标识位)=01，cms_free(在64位开启指针压缩环境中，CMS回收算法用到)，下面通过JOL工具，在线运行查看该状态下，对象头部的内存布局。
cms_free解释：Details about mark word of java object header
注释1import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
2
3public class Main {
4
5 public static void main(String[] args) {
6 Object object = new Object();
7 //需要调用hashCode之后，才会将值存在对象头里
8 object.hashCode();
9 System.out.println(
10 ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()
11 );
12 }
13}由于每个人环境不同，得到的hashCode可能不一样，运行完成后会得到类似以下的输出
java.lang.Object object internals:
OFF SZ TYPE DESCRIPTION VALUE
0 8 (object header: mark) 0x0000006504e3b201 (hash: 0x6504e3b2; age: 0)
8 4 (object header: class) 0x00001000
12 4 (object alignment gap)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total从上面可以看出，hashCode=0x6504e3b2，age=0，将Mark Word字段0x0000006504e3b201转化为二进制得到完整的bit位。
0000000000000000000000000110010100000100111000111011001000000001其中后8位分别是cms_free(1bit)=0，age(4bit)=0000，biased_lock(1bit)=0，lock(2bit)=01，需要注意的是只有在对象的hashCode被调用过了，它的值才会被存在对象头中。
偏向锁Biased状态
在偏向锁状态下，Mark Word保存了thread(偏向锁的线程地址)，epoch(偏向锁优化机制用到)，age(分代年龄)，biased_lock(偏向锁标识位)=1，lock(锁状态标识位)=01，cms_free，由于在Java 15时，偏向锁已经被弃用，本站Java在线运行环境是Java 16，所以无法在线运行查看效果，可复制以下代码到本地Java 15以下环境运行。
1import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
2
3public class Main {
4 final Object object = new Object();
5
6 public static void main(String[] args) {
7 new Main().test();
8 }
9
10 private void test() {
11 synchronized (object) {
12 System.out.println(
13 ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()
14 );
15 }
16 }
17}在本地运行完成后，由于环境不同，每个人运行的结果会有一定差异，会得到类似以下输出
java.lang.Object object internals:
OFF SZ TYPE DESCRIPTION VALUE
0 8 (object header: mark) 0x00007fe34a80b005 (biased: 0x0000001ff8d2a02c; epoch: 0; age: 0)
8 4 (object header: class) 0x00001000
12 4 (object alignment gap)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total从上面可以看出，thread=0x0000001ff8d2a02c，epoch=0，age=0，将Mark Word字段0x00007fe34a80b005转化为二进制得到完整的bit位。
0000000000000000011111111110001101001010100000001011000000000101其中后8位分别是cms_free(1bit)=0，age(4bit)=0000，biased_lock(1bit)=1，lock(2bit)=01。
epoch解释：Synchronization and Object Locking
注释轻量级锁Lightweight Locked状态
在获取轻量级锁时，会在当前线程的虚拟机栈创建一个Lock Record的空间，用于保存当前对象Mark Word的数据，然后在Mark Word中保存一个指向Lock Record地址的指针(ptr_to_lock_record)，同时修改lock(锁状态标识位)=00。下面通过JOL工具，在线运行查看该状态下，对象头部的内存布局。
1import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
2
3public class Main {
4 final Object object = new Object();
5
6 public static void main(String[] args) {
7 new Main().test();
8 }
9
10 private void test() {
11 synchronized (object) {
12 System.out.println(
13 ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()
14 );
15 }
16 }
17}运行完成后，由于环境不同，每个人运行的结果会有一定差异，会得到类似以下输出
java.lang.Object object internals:
OFF SZ TYPE DESCRIPTION VALUE
0 8 (object header: mark) 0x00007f5377045920 (thin lock: 0x00007f5377045920)
8 4 (object header: class) 0x00000682
12 4 (object alignment gap)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total将Mark Word字段0x00007f5377045920转化为二进制得到完整的bit位。
0000000000000000011111110101001101110111000001000101100100100000其中后2位是lock(2bit)=00。
重量级锁Heavyweight Locked状态
在升级为重量级锁时，会为当前锁对象创建一个监视器ObjectMonitor，用于保存当前锁对象的原始头信息、重入次数、竞争失败队列、竞争队列和阻塞队列等信息，然后在Mark Word中保存一个指向ObjectMonitor地址的指针(ptr_to_heavyweight_monitor)，同时修改lock(锁状态标识位)=10。下面通过JOL工具，在线运行查看该状态下，对象头部的内存布局。
1import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
2
3public class Main {
4 final Object object = new Object();
5
6 public static void main(String[] args) {
7 new Main().test();
8 }
9
10 private void test() {
11 new Thread(() -> {
12 synchronized (object) {
13 try {
14 Thread.sleep(1000);
15 } catch (InterruptedException e) {
16 e.printStackTrace();
17 }
18 }
19 }).start();
20 synchronized (object) {
21 System.out.println(
22 ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable()
23 );
24 }
25 }
26}运行完成后，由于环境不同，每个人运行的结果会有一定差异，会得到类似以下输出
java.lang.Object object internals:
OFF SZ TYPE DESCRIPTION VALUE
0 8 (object header: mark) 0x00007fcfe0c13e02 (fat lock: 0x00007fcfe0c13e02)
8 4 (object header: class) 0x00001000
12 4 (object alignment gap)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total将Mark Word字段0x00007fcfe0c13e02转化为二进制得到完整的bit位。
0000000000000000011111111100111111100000110000010011111000000010其中后2位是lock(2bit)=10。
GC标记Marked for GC状态
lock(锁状态标识位)=11，早期的垃圾收集器会使用此字段作为垃圾收集的标志，但是随着发展，有一些现代化的垃圾收集器已经不再使用这个字段了。