重学Java-一个Java对象到底占多少内存

时间 2019-11-05

标签 java 一个对象到底多少内存栏目 Java 繁體版

原文原文链接

内存是程序员逃不开的话题，固然Java由于有GC使得咱们不用手动申请和释放内存，可是了解Java内存分配是作内存优化的基础，若是不了解Java内存分配的知识，可能会带偏咱们内存优化的方向。因此这篇文章咱们以“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_191java

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，但愿本文的探讨能让你有收获。ios

在开始以前我仍是决定先提一个曾经阴魂不散，困扰我好久的问题，了解这个问题的答案有助于咱们理解接下来的内容。程序员

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？

咱们知道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仍是short或者其余基础类型，亦或者是引用的地址？好比以int为例，4个字节只够存储int数据自己，并无多余的空间存储数据的类型！

想解答这个问题，须要从字节码入手，还须要咱们了解一些Java虚拟机规范的知识，来看一个简单的例子数组

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，仍是老套路，javac，javap 查看字节码安全

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

咱们重点看Apple类的test方法，我已经添加了注释bash

// 加载Apple对象自己到栈
         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对象自己到栈
         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
         // .......
复制代码

能够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全部字段的索引表，根据这个常量池能够查询到变量的类型，而字节码指令对于操做各类类型都有专门的指令，好比存储int是istore，存储对象是astore，存储long是lstore，因此指令是编译期已经肯定了，虚拟机只须要根据指令执行就行，根本不关心它操做的这个地址是什么类型的，因此也就不用额外的字段去存类型了，解答咱们前面提的问题！app

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

Java数据类型有哪些

在Java中数据类型分为二大类。oop

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，因此对于基础数据类型，它们所占用的内存是很肯定的，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便可。测试

Java中基础数据类型是在栈上分配仍是在堆上分配？ 咱们继续深究一下，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，是在堆仍是栈仍是方法区？你们不妨想一想看！要解答这个问题，首先要看这个数据类型在哪里定义的，有如下三种状况。

若是在方法体内定义的，这时候就是在栈上分配的
若是是类的成员变量，这时候就是在堆上分配的
若是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同，除了对象自己以外，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，若是开启指针压缩是4个字节，默认是开启了的。为了方便说明，仍是以代码为例

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，因为如今基本都是64位的虚拟机，因此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，当某个对象被做为同步锁对象时，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再也不赘述了，你们能够自行查阅相关资料。
CMS promoted object 和 CMS free block 我也不清楚究竟是啥，可是看名字彷佛跟CMS 垃圾回收器有关，这里咱们也能够暂时忽略它们

咱们主要关注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）

// 无其余线程竞争的状况下，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，因此对于没有重写hashcode的对象，若是hashcode被计算过并存储在对象头中，则该对象做为同步锁时，不会进入偏向锁状态，由于已经没地方存偏向thread id了，因此咱们在选择同步锁对象时，最好重写该对象的hashcode方法，使偏向锁可以生效。

kclass

kclass存储的是该对象所属的类在方法区的地址，因此是一个指针，默认Jvm对指针进行了压缩，用4个字节存储，若是不压缩就是8个字节。关于Compressed Oops的知识，你们能够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，之因此有这个规定是为了提升分配内存的效率，咱们经过实例来作说明

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，咱们分别新建一个object和fruit，那他们分别占用多大的内存呢？

先来看object对象，经过上面的知识，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，因此它占用的空间是16个字节。
再来看fruit对象，一样的，它的Markword是8个字节，kclass是4个字节，可是它还有个size成员变量，int类型占4个字节，加起来恰好是16个字节，因此不须要对齐填充。

那该如何验证咱们的结论呢？毕竟咱们仍是相信眼见为实！很幸运Jdk提供了一个工具jol-core可让咱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

能够看到输出结果都是16 bytes，跟咱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（因此数组的最大长度是Integer.MAX）。因此一个数组对象占用的内存是 8 + 4 + 4 = 16个字节，固然这里不包括数组内成员的内存。咱们也运行验证一下。

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，跟咱们分析的一致。到这里对象头部分的内存分配咱们就了解的差很少了，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，咱们新建一个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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能够看到Apple的对象头12个字节，而后分别是从Fruit类继承来的size属性（虽然Fruit的size是private的，仍是会被继承，与Apple自身的size共存），还有本身定义的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，因此咱们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，让咱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？

答案固然是确定的，咱们上面分析的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，它们可以共存。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，在实际内存中不管是私有的，仍是公开的，都按规则存放在一块儿，对虚拟机来讲并无什么分别！

方法内部new的对象是在堆上仍是栈上？

咱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），究竟是不是呢，咱们来作个试验！咱们在循环内建立一亿个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，总共须要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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咱们给JVM添加上-XX:+PrintGC运行配置，让编译器执行过程当中输出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，并且没有任何GC，显然若是对象在堆上分配的话是不可能的，其实上面的实例代码，Apple对象所有都是在栈上分配的，这里要提出一个概念指针逃逸，newApple方法中新建的对象Apple并无在外部被使用，因此它被优化为在栈上分配，咱们知道方法执行完成后该栈帧就会被清空，因此也就不会有GC。咱们能够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
复制代码

能够看到有不少GC的日志，并且运行的时间也比以前长了不少，由于这时候Apple对象的分配在堆上，而堆是全部线程共享的，因此分配的时候确定有同步机制，并且触发了大量的gc，因此效率低不少。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，不然在堆上分配。到这里，关于“一个对象占多少内存？”这个问题，已经能回答的至关全面了。可是毕竟咱们分析的只是Hotspot虚拟机，咱们不妨延伸一下，看在Android ART虚拟机上面的分配状况

获取Android ART虚拟机上面的对象头大小

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

方法的灵感来源

办法确定是有的，我这里介绍的办法，灵感的主角就是AtomicInteger，我是受到它的启发，这个类咱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

咱们知道普通int对象的++操做不是原子性的，AtomicInteger提供了getAndIncrement()它却能保证原子性，这一部分知识不是咱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,那若是咱们能获取到第一个实例数据的偏移地址，其实就是得到了对象头的字节大小。

如何拿到并使用Unsafe

由于Unsafe是不可见的类，并且它在初始化的时候有检查当前类的加载器，若是不是系统加载器会报错。可是好消息是，AtomicInteger中定义了一个Unsafe对象，并且是静态的，咱们能够直接经过反射来获得。

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，咱们就能够经过调用它的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

咱们来使用上面的工具测试打印以前的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

经过输出结果，看出在 Android8.0 ART 虚拟机上，对象头的大小是8个字节，这跟hotspot虚拟机不一样（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异，各类数据类型占用的字节数都是同样的，好比int占4个字节，指针4个字节，long8个字节等，都同样。

总结

全文咱们总结了如下几个知识点

Java虚拟机经过字节码指令来操做内存，因此能够说它并不关心数据类型，它只是按指令行事，不一样类型的数据有不一样的字节码指令。
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异。

了解这些并非为了装逼炫技，说实话，写代码作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，因此我把它们写出来分享给你们。

最后仍是那句话：只有充分的了解Java的内存分配机制，才能正确的去作内存优化！！。