面试官发问：“对象头(object header)”里知多少？

云烟 • 2023年 12月 31日上午11:00 • 未分类 • 阅读 131

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前言

在家办公的第N周.

不知道公司还在不在了….

言归正传，回到正文“对象头”

对于学习Java来说, 对象头可以是入门的知识点之一.

假设有一扇门通向深入Java语言，那么对象头就是“进门须知”的这么一个地位，没什么技术要点，但是需要知道。

“synchronized的锁标志存哪了？”，“对象多大岁数呀对象的分代年龄在哪看”等等，刚学Java时免不了这些疑问，这些就和对象头息息相关。

如果对“对象头”不清晰的读者，可以继续往下看了，本文将展示于你“对象”的里大致都装了什么.

简介

先抛出基本概念，后面笔者有具体的实践.

对象头(Object header)是直译过来的，未免有些生硬，依笔者看叫“对象名片”还能上口一些，主要包含了对象的基本信息，比如：

布局
GC状态
类型
同步状态
(identity) hash code
数组长度 (前提你得是数组)

identity hash code是指不经重写过由jvm计算的hashcode.

整个对象头由两个部分组成，即：klass pointer和Mark Word.

当然了，介绍这两个东西之前，此处需要强调一下：本文默认是基于jdk1.8并且64位环境进行描述的，算是一个标配。

klass pointer

klass pointer一般占32个bit即4个字节，如果你有足够的原因关闭默认的指针压缩，即启动参数加上了-XX:-UseCompressedOops那么它就占64个bit.

不过此处还有一个细节：根据计算，堆大小超过32GB后，就算不关指针压缩并不会报错，只是指针压缩会失效。

但是这个笔者到是没有进行实际测试，原因嘛…. 堆大小要32GB+内存, 还要留给非堆和OS一些内存，这种内存的机器是笔者三线小厂得不到的…

klass pointer的存储内容是一个指针，指向了其类元数据的信息，jvm使用该指针来确定此对象是类的哪个实例.

什么意思？如果你有一个Person实例的引用，那么找到元数据就靠它了，如图：

Mark Word

关于mark word对于java程序员是比较重要的一块知识点，开局一张图：

表格中的“场景”，你也可以理解为“状态”，一个对象在一个时间点是处于一种状态的，但是状态之间可能会切换.

也就是你使用的对象，就处于当前表格中，其中“一行”的状态.

Mark Word在64位虚拟机下，也就是占用64位大小即8个字节的空间.

内具体容包括：

unused：未使用的
hashcode：上文提到的identity hash code，本文出现的hashcode都是指identity hash code
thread: 偏向锁记录的线程标识
epoch: 验证偏向锁有效性的时间戳
age：分代年龄
biased_lock 偏向锁标志
lock 锁标志
pointer_to_lock_record 轻量锁lock record指针
pointer_to_heavyweight_monitor 重量锁monitor指针

如果你看cms_free这个字体有点奇怪那就对了，开始误画成了unused，后来反应过来默认开启“指针压缩”的情况，那么那一个bit应该是cms_free.

cms_free从名字就能看出和cms收集器有关系，因为cms算法是标记-清理的一款收集器，所以内存碎片问题是将不可达对象维护在一个列表free list中，笔者推测此处应该是标记对象是否在free list中.

关于cms_free的结论是笔者推测的，你大可不必相信，如果认为笔者说的不正确可以告诉我.

如果你觉得笔者说的不对，但是你又拿不出证据，倒也不用十分较真儿，毕竟jdk14 cms已经被移除了.

初学者对这些东西感到头大，可以先从无锁状态的那一行下的内容开始了解.

如果看完这些东西，回味一下笔者上面说的“mark word对于java程序员是比较重要的一块知识点”，相信你也知道原因了. 这部分和程序关系很大，比如：

为什么晋升到老年代的年龄设置(XX:MaxTenuringThreshold)不能超过15 ？

因为就给了age四个bit空间，最大就是1111(二进制)也就是15，多了没地方存.

为什么你的synchronized锁住的对象，没有“传说中的”偏向锁优化？

因为hashcode并不是对象实例化完就计算好的，是调用计算出来放在mark word里的。

你调用过hashcode方法(或者隐式调用：存到hashset里，map的key，调用了默认未经重写的toString()方法等等)，把“坑位”占了，偏向锁想存的线程id没地方存了，自然就直接是轻量级锁了.

(或者你只是单纯的测试的时候忘了加-XX:BiasedLockingStartupDelay=0了)

看起来设计的有点不合理但又透着合理，底层的设计就是这么朴实无华，且枯燥。

本文重点是介绍“对象头”，所以不会重点介绍锁，就如刚才说的“调用过hashcode再同步发现是轻量锁”，其实还有很多种情况, 比如: 在synchronized块内调用的hashcode计算方法，就算有了偏向锁也会被撤销，膨胀为重量级锁。如果有缘，你可能在未来能看到笔者单独描述锁的文章.

实践

实践出真知，工欲善其事必先利其器，工具使用jol工具即可，openjdk提供的分析对象大小，布局等信息的工具.

本文使用最简单的maven引入工程的方式进行测试. 你也可以选择命令行的方式，两种使用方式都在上方jol的链接中有介绍.

引入jol之后，我们开始打印对象布局试试.

数组对象布局

    public static void main(String[] args) {
        // 声明一枚长度为3306的数组
        int[] intArr = new int[3306];
        // 使用jol的ClassLayout工具分析对象布局
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(intArr).toPrintable());
    }
    
print:
------------------------------------------------------
[I object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     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)                           6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
     12     4        (object header)                           ea 0c 00 00 (11101010 00001100 00000000 00000000) (3306)
     16 13224    int [I.<elements>                             N/A
Instance size: 13240 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

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如果你是第一次看jol打印的布局图，可以直接看笔者标注好的下图：

对象头的三个部分，分别印证了上文提到的klass pointer和Mark Word，以及数组独有的长度属性.

右侧分别用了三种进制展示了“每一行”的value, 呼应上文：

没有调用过原始的hashcode方法(包括System.identityHashCode方法)，那么hashcode位置都是0.

由图可得出结论，对象在刚实例化好的时候，非常“干净”，乍眼看去两排0，但是只有一个1显得十分突兀.

其实它是001，为上文提到的偏向锁标志+锁标志，所有锁的状态如下：

这回就清晰了，虽然有一个1，但其实是无锁的状态.

回到布局图，因为是数组对象，所以在第四行保存了数组长度，非数组对象自然是没有的.

对象大小的计算，也是非常精准的, 即：13224(一个int为四个字节乘3306) + 16 = 13240个字节.

自己实践的提示

看到对象布局设计的如此朴实无华，你也可以动手实践一下.

笔者也附上几个小提醒：

上文提到的，hashcode对偏向锁和重量锁的影响
上文提到的-XX:BiasedLockingStartupDelay参数对偏向锁测试的影响
注意测试机器的大小端对结果顺序的影响，一般大家的机器都是小端，所以value的打印顺序是和上文Markword开局那张图描述的字段顺序相反.

不注意这几点，你可能打印完一脸茫然，不知道哪些bit对应哪些字段，甚至和自己的预想结果不一样.

最后

对于对象的结构这一部分其实有很多细节值得你去拓展阅读, 本文只是简单的介绍了“Object header”这一小部分.

看完本文，有没有和笔者一样，想说一句：

底层的设计就是这么朴实无华，且枯燥.

开个玩笑, 事实上多看看, 你会发现非常有乐趣.

作者：Vt

链接：https://juejin.im/post/5e830f546fb9a03c341d9346

来源：掘金

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