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重学Java-一个Java对象到底占多少内存

内存是程序员逃不开的话题,当然Java因为有GC使得我们不用手动申请和释放内存,但是了解Java内存分配是做内存优化的基础,如果不了解Java内存分配的知识,可能会带偏我们内存优化的方向。所以这篇文章我们以“一个对象占多少内存”为引子来谈谈Java内存分配。 文章基于JDK版本:1.8.0_191

文章标题提出的问题是”一个对象到底占多少内存“,看似很简单,但想说清楚并不容易,希望本文的探讨能让你有收获。

在开始之前我还是决定先提一个曾经阴魂不散,困扰我很久的问题,了解这个问题的答案有助于我们理解接下来的内容。

Java虚拟机如何在运行时知道每一块内存存储数据的类型的?

  • 我们知道Java中int占4个字节,short占2个字节,引用类型在64位机器上占4个字节(不开启指针压缩是8个字节,指针压缩是默认开启的),那JVM如何在运行时知道某一块内存存的值的类型是int还是short或者其他基础类型,亦或者是引用的地址?比如以int为例,4个字节只够存储int数据本身,并没有多余的空间存储数据的类型!

想解答这个问题,需要从字节码入手,还需要我们了解一些Java虚拟机规范的知识, 来看一个简单的例子

public class Apple extends Fruit{
    private int color;
    private String name;
    private Apple brother;
    private long create_time;

    public void test() {
        int color = this.color;
        String name = this.name;
        Apple brother = this.brother;
        long create_time = this.create_time;
    }
}
复制代码

很简单的一个Apple类,继承于Fruit,有一个test方法,将类成员变量赋值给方法本地变量,还是老套路,javac,javap 查看字节码

javac Fruit.java Apple.java
javap -verbose Apple.class

// 输出Apple字节码
public class com.company.alloc.Apple extends com.company.alloc.Fruit
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #9.#25         // com/company/alloc/Fruit."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #8.#26         // com/company/alloc/Apple.color:I
   #3 = Fieldref           #8.#27         // com/company/alloc/Apple.name:Ljava/lang/String;
   #4 = Fieldref           #8.#28         // com/company/alloc/Apple.brother:Lcom/company/alloc/Apple;
   #5 = Fieldref           #8.#29         // com/company/alloc/Apple.create_time:J
   // 省略......
{
 // 省略......
  public void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=4, locals=6, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field color:I
         4: iconst_1
         5: iadd
         6: istore_1
         7: aload_0
         8: getfield      #3                  // Field name:Ljava/lang/String;
        11: astore_2
        12: aload_0
        13: getfield      #4                  // Field brother:Lcom/company/alloc/Apple;
        16: astore_3
        17: aload_0
        18: getfield      #5                  // Field create_time:J
        21: ldc2_w        #6                  // long 3l
        24: lsub
        25: lstore        4
        27: return
        // 省略......
}

复制代码

我们重点看Apple类的test方法,我已经添加了注释

         // 加载Apple对象本身到栈
         0: aload_0
         // 获取字段,#2 对应常量池中的序列,
         // #2 = Fieldref           #8.#26         // com/company/alloc/Apple.color:I
         // 存储的类型是int类型
         1: getfield      #2                  // Field color:I
         // 加载1这个常量进栈
         4: iconst_1
         // 执行加法
         5: iadd
         // 将栈顶的值存到本地变量表1的位置
         6: istore_1
         // 加载Apple对象本身到栈
         7: aload_0
         // 获取字段,#3 对应常量池中的序列,
         8: getfield      #3                  // Field name:Ljava/lang/String;
         // 将栈顶的值存到本地变量表2的位置
        11: astore_2
         // .......
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可以看到对于对象的成员变量,会存在一个常量池,保存该对象所属类的所有字段的索引表,根据这个常量池可以查询到变量的类型,而字节码指令对于操作各种类型都有专门的指令,比如存储int是istore,存储对象是astore,存储long是lstore,所以指令是编译期已经确定了,虚拟机只需要根据指令执行就行,根本不关心它操作的这个地址是什么类型的,所以也就不用额外的字段去存类型了,解答我们前面提的问题!

我们开始步入正题,要说内存分配,首先就要了解我们分配的对象,那Java中分配的对象有哪些类型呢?

Java数据类型有哪些

在Java中数据类型分为二大类。

  • 基础数据类型(primitive type)
  • 引用类型 (reference type)
基础数据类型

Java中基础数据类型有8种,分别是byte(1), short(2), int(4), long(8), float(4), double(8), char(2), boolean(1), 括号里面是它们占用的字节数,所以对于基础数据类型,它们所占用的内存是很确定的,也就没什么好说的, 简单的记忆一下每种类型存储所需的字节数即可。

Java中基础数据类型是在栈上分配还是在堆上分配? 我们继续深究一下,基本数据类占用内存大小是固定的,那具体是在哪分配的呢,是在堆还是栈还是方法区?大家不妨想想看! 要解答这个问题,首先要看这个数据类型在哪里定义的,有以下三种情况。

  • 如果在方法体内定义的,这时候就是在栈上分配的
  • 如果是类的成员变量,这时候就是在堆上分配的
  • 如果是类的静态成员变量,在方法区上分配的
引用类型

引用类型跟基础数据类型不一样,除了对象本身之外,还存在一个指向它的引用(指针),指针占用的内存在64位虚拟机上8个字节,如果开启指针压缩是4个字节,默认是开启了的。 为了方便说明,还是以代码为例

class Kata {
  // str1和它指向的对象 都在堆上
  String str1 = new String();
  // str2和它指向的对象都在方法区上
  static String str2 = new String();
  
  public void methodTest() {
     // str3 在栈上,它指向的对象在堆上(也有可能在栈上,后面会说明)
     String str3 = new String();
  }
}
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Java对象到底占多大内存?

指针的长度是固定的,不去说它了,重点看它所指向的对象在内存中占多少内存。 Java对象有三大类

  • 类对象
  • 数组对象
  • 接口对象

Java虚拟机规范定义了对象类型在内存中的存储规范,由于现在基本都是64位的虚拟机,所以后面的讨论都是基于64位虚拟机。 首先记住公式,对象由 对象头 + 实例数据 + padding填充字节组成,虚拟机规范要求对象所占内存必须是8的倍数,padding就是干这个的

对象头

而Java中对象头由 Markword + 类指针kclass(该指针指向该类型在方法区的元类型) 组成。

Markword

Hotspot虚拟机文档 “oops/oop.hp”有对Markword字段的定义

  64 bits:
  --------
  unused:25 hash:31 -->| unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
  JavaThread*:54 epoch:2 unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
  PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
  size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)
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这里简单解释下这几种object

  • normal object,初始new出来的对象都是这种状态
  • biased object,当某个对象被作为同步锁对象时,会有一个偏向锁,其实就是存储了持有该同步锁的线程id,关于偏向锁的知识这里就不再赘述了,大家可以自行查阅相关资料。
  • CMS promoted object 和 CMS free block 我也不清楚到底是啥,但是看名字似乎跟CMS 垃圾回收器有关,这里我们也可以暂时忽略它们

我们主要关注normal object, 这种类型的Object的 Markword 一共是8个字节(64位),其中25位暂时没有使用,31位存储对象的hash值(注意这里存储的hash值对根据对象地址算出来的hash值,不是重写hashcode方法里面的返回值),中间有1位没有使用,还有4位存储对象的age(分代回收中对象的年龄,超过15晋升入老年代),最后三位表示偏向锁标识和锁标识,主要就是用来区分对象的锁状态(未锁定,偏向锁,轻量级锁,重量级锁)

// 无其他线程竞争的情况下,由normal object变为biased object
synchronized(object)
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biased object的对象头Markword前54位来存储持有该锁的线程id,这样就没有空间存储hashcode了,所以 对于没有重写hashcode的对象,如果hashcode被计算过并存储在对象头中,则该对象作为同步锁时,不会进入偏向锁状态,因为已经没地方存偏向thread id了,所以我们在选择同步锁对象时,最好重写该对象的hashcode方法,使偏向锁能够生效。

kclass

kclass存储的是该对象所属的类在方法区的地址,所以是一个指针,默认Jvm对指针进行了压缩,用4个字节存储,如果不压缩就是8个字节。 关于Compressed Oops的知识,大家可以自行查阅相关资料来加深理解。 Java虚拟机规范要求对象所占空间的大小必须是8字节的倍数,之所以有这个规定是为了提高分配内存的效率,我们通过实例来做说明

class Fruit extends Object {
     private int size;
}

Object object = new Object();
Fruit fruit = new Fruit();
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有一个Fruit类继承了Object类,我们分别新建一个object和fruit,那他们分别占用多大的内存呢?

  • 先来看object对象,通过上面的知识,它的Markword是8个字节,kclass是4个字节, 加起来是12个字节,加上4个字节的对齐填充,所以它占用的空间是16个字节。
  • 再来看fruit对象,同样的,它的Markword是8个字节,kclass是4个字节,但是它还有个size成员变量,int类型占4个字节,加起来刚好是16个字节,所以不需要对齐填充。

那该如何验证我们的结论呢?毕竟我们还是相信眼见为实!很幸运Jdk提供了一个工具jol-core可以让我们来分析对象头占用内存信息。 jol的使用也很简单

// 打印对象头信息代码
System.out.println(ClassLayout.parseClass(Object.class).toPrintable());
System.out.println(ClassLayout.parseClass(Fruit.class).toPrintable());

// 输出结果
java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0    12        (object header)                           N/A
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

com.aliosuwang.jol.Fruit object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0    12        (object header)                           N/A
     12     4    int Fruit.size                                N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
复制代码

可以看到输出结果都是16 bytes,跟我们前面的分析结果一致。 除了类类型和接口类型的对象,Java中还有数组类型的对象,数组类型的对象除了上面表述的字段外,还有4个字节存储数组的长度(所以数组的最大长度是Integer.MAX)。所以一个数组对象占用的内存是 8 + 4 + 4 = 16个字节,当然这里不包括数组内成员的内存。 我们也运行验证一下。

String[] strArray = new String[0];
System.out.println(ClassLayout.parseClass(strArray.getClass()).toPrintable());

// 输出结果
[Ljava.lang.String; object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0    16                    (object header)                           N/A
     16     0   java.lang.String String;.<elements>                        N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
复制代码

输出结果object header的长度也是16,跟我们分析的一致。到这里对象头部分的内存分配我们就了解的差不多了,接下来看对象的实例数据部分。

对象的实例数据(成员变量)的分配规则

为了方便说明,我们新建一个Apple类继承上面的Fruit类

public class Apple extends Fruit{
    private int size;
    private String name;
    private Apple brother;
    private long create_time;
}

// 打印Apple的对象分布信息
System.out.println(ClassLayout.parseClass(Apple.class).toPrintable());

// 输出结果
com.aliosuwang.jol.Apple object internals:
 OFFSET  SIZE                       TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0    12                           (object header)                           N/A
     12     4                       int Fruit.size                                N/A
     16     8                      long Apple.create_time                         N/A
     24     4                       int Apple.size                                N/A
     28     4          java.lang.String Apple.name                                N/A
     32     4   com.company.alloc.Apple Apple.brother                             N/A
     36     4                            (loss due to the next object alignment)
Instance size: 40 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
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可以看到Apple的对象头12个字节,然后分别是从Fruit类继承来的size属性(虽然Fruit的size是private的,还是会被继承,与Apple自身的size共存),还有自己定义的4个属性,基础数据类型直接分配,对象类型都是存的指针占4个字节(默认都是开启了指针压缩),最终是40个字节,所以我们new一个Apple对象,直接就会占用堆栈中40个字节的内存,清楚对象的内存分配,让我们在写代码时心中有数,应当时刻有内存优化的意识! 这里又引出了一个小知识点,上面其实已经标注出来了。

父类的私有成员变量是否会被子类继承?

答案当然是肯定的,我们上面分析的Apple类,父类Fruit有一个private类型的size成员变量,Apple自身也有一个size成员变量,它们能够共存。注意划重点了,类的成员变量的私有访问控制符private,只是编译器层面的限制,在实际内存中不论是私有的,还是公开的,都按规则存放在一起,对虚拟机来说并没有什么分别!

方法内部new的对象是在堆上还是栈上?

我们常规的认识是对象的分配是在堆上,栈上会有个引用指向该对象(即存储它的地址),到底是不是呢,我们来做个试验! 我们在循环内创建一亿个Apple对象,并记录循环的执行时间,前面已经算过1个Apple对象占用40个字节,总共需要4GB的空间。

public static void main(String[] args) {
     long startTime = System.currentTimeMillis();
     for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
         newApple();
     }
     System.out.println("take time:" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
}

public static void newApple() {
     new Apple();
}
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我们给JVM添加上-XX:+PrintGC运行配置,让编译器执行过程中输出GC的log日志

// 运行结果,没有输出任何gc的日志
take time:6ms
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1亿个对象,6ms就分配完成,而且没有任何GC,显然如果对象在堆上分配的话是不可能的,其实上面的实例代码,Apple对象全部都是在栈上分配的,这里要提出一个概念指针逃逸,newApple方法中新建的对象Apple并没有在外部被使用,所以它被优化为在栈上分配,我们知道方法执行完成后该栈帧就会被清空,所以也就不会有GC。 我们可以设置虚拟机的运行参数来测试一下。

// 虚拟机关闭指针逃逸分析
-XX:-DoEscapeAnalysis
// 虚拟机关闭标量替换
-XX:-EliminateAllocations
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在VM options里面添加上面二个参数,再运行一次

[GC (Allocation Failure)  236984K->440K(459776K), 0.0003751 secs]
[GC (Allocation Failure)  284600K->440K(516608K), 0.0004272 secs]
[GC (Allocation Failure)  341432K->440K(585216K), 0.0004835 secs]
[GC (Allocation Failure)  410040K->440K(667136K), 0.0004655 secs]
[GC (Allocation Failure)  491960K->440K(645632K), 0.0003837 secs]
[GC (Allocation Failure)  470456K->440K(625152K), 0.0003598 secs]
take time:5347ms
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可以看到有很多GC的日志,而且运行的时间也比之前长了很多,因为这时候Apple对象的分配在堆上,而堆是所有线程共享的,所以分配的时候肯定有同步机制,而且触发了大量的gc,所以效率低很多。 总结一下: 虚拟机指针逃逸分析是默认开启的,对象不会逃逸的时候优先在栈上分配,否则在堆上分配。 到这里,关于“一个对象占多少内存?”这个问题,已经能回答的相当全面了。但是毕竟我们分析的只是Hotspot虚拟机,我们不妨延伸一下,看在Android ART虚拟机上面的分配情况

获取Android ART虚拟机上面的对象头大小

我们前面使用了jol工具来输出对象头的信息,但是这个jol工具只能用在hotspot虚拟机上,那我们如何在Android上面获取对象头大小呢?

方法的灵感来源

办法肯定是有的,我这里介绍的办法,灵感的主角就是AtomicInteger,我是受到它的启发,这个类我们知道是线程安全的int的包装类。它的实现原理是利用了Unsafe包提供的CAS能力,不妨看下它的源码实现

    private static final sun.misc.Unsafe U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE;

    static {
        try {
            VALUE = U.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (ReflectiveOperationException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    private volatile int value;

    /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
    }
复制代码

我们知道普通int对象的++操作不是原子性的,AtomicInteger提供了getAndIncrement()它却能保证原子性,这一部分知识不是我们这篇要讲的知识点,就不去说它们了。 getAndIncrement()方法内部调用了Unsafe对象的getAndAddInt()方法,第二个参数是VALUE,这个VALUE大有玄机,它表示成员变量在对象内存中的偏移地址,根据前面的知识,普通对象的结构 就是 对象头+实例数据+对齐字节,那如果我们能获取到第一个实例数据的偏移地址,其实就是获得了对象头的字节大小。

如何拿到并使用Unsafe

因为Unsafe是不可见的类,而且它在初始化的时候有检查当前类的加载器,如果不是系统加载器会报错。但是好消息是,AtomicInteger中定义了一个Unsafe对象,而且是静态的,我们可以直接通过反射来得到。

    public static Object getUnsafeObject() {
        Class clazz = AtomicInteger.class;
        try {
            Field uFiled = clazz.getDeclaredField("U");
            uFiled.setAccessible(true);
            return uFiled.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
复制代码

拿到了Unsafe,我们就可以通过调用它的objectFieldOffset静态方法来获取成员变量的内存偏移地址。

    public static long getVariableOffset(Object target, String variableName) {
        Object unsafeObject = getUnsafeObject();
        if (unsafeObject != null) {
            try {
                Method method = unsafeObject.getClass().getDeclaredMethod("objectFieldOffset", Field.class);
                method.setAccessible(true);
                Field targetFiled = target.getClass().getDeclaredField(variableName);
                return (long) method.invoke(unsafeObject, targetFiled);
            } catch (NoSuchMethodException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InvocationTargetException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (NoSuchFieldException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return -1;
    }

    public static void printObjectOffsets(Object target) {
        Class targetClass = target.getClass();
        Field[] fields = targetClass.getDeclaredFields();
        for (Field field : fields) {
            String name = field.getName();
            Log.d("offset", name + " offset: " + getVariableOffset(target, name));
        }
    }
复制代码

我们来使用上面的工具测试打印之前的Fruit和Apple,

        Log.d("offset", "------start print fruit offset!------");
        Utils.printObjectOffsets(new Fruit());

        Log.d("offset", "------start print apple offset!------");
        Utils.printObjectOffsets(new Apple());

        // 输出结果 (Android 8.0模拟器)
        offset: ------start print fruit offset!------
        offset: size offset: 8
        offset: ------start print apple offset!------
        offset: brother offset: 12
        offset: create_time offset: 24
        offset: id offset: 20
        offset: name offset: 16
复制代码

通过输出结果,看出在 Android8.0 ART 虚拟机上,对象头的大小是8个字节,这跟hotspot虚拟机不同(hotspot是12个字节默认开启指针压缩),根据输出的结果目前只发现这一点差别,各种数据类型占用的字节数都是一样的,比如int占4个字节,指针4个字节,long8个字节等,都一样。

总结

全文我们总结了以下几个知识点

  • Java虚拟机通过字节码指令来操作内存,所以可以说它并不关心数据类型,它只是按指令行事,不同类型的数据有不同的字节码指令。
  • Java中基本数据类型和引用类型的内存分配知识,重点分析了引用类型的对象头,并介绍了JOL工具的使用
  • 延伸到Android平台,介绍了一种获取Android中对象的对象头信息的方法,并对比了ART和Hotspot虚拟机对象头长度的差别。

了解这些并不是为了装逼炫技,说实话,写代码做工程的没什么好装的,用的都是别人的轮子,我只会感谢我知道这些还不算太晚,所以我把它们写出来分享给大家。

最后还是那句话:只有充分的了解Java的内存分配机制,才能正确的去做内存优化!!

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