Java对象在内存中的布局是如何实现的?

1、-XX:FieldsAllocationStyle

对象在内存中的布局首要相关配置就是FieldsAllocationStyle，这个配置有3个可选值，即0、1、2。当值为2的时候，会经过一些逻辑判断最终转化为0或者1.

• -XX:FieldsAllocationStyle=0 表示先分配对象，然后再按照double/long、ints、chars/shorts、bytes/booleans的顺序分配其他字段，也就是类中声明的相同宽度的字段总是会被分配在一起，而相同宽度字段的顺序则是它们在class文件中声明的顺序。-
• XX:FieldsAllocationStyle=1表示先按照double/long、ints、chars/shorts、bytes/booleans的顺序分配属性，然后再分配对象，分配过程中的其他原则上面为0时是保持一致的，同时这也是JVM默认的分配策略。

当然，上面这2种分配策略只是针对大部分正常情况而言，有以下几种情况是会有所区别的(只是有部分区别，大致是没有问题的)

• 如果是特定的类、例如基本类型的包装类、String、Class、ClassLoader、软引用等类，会先分配对象，然后再按照double/long、ints、chars/shorts、bytes/booleans的顺序分配，同时-XX:+CompactFields和-XX:FieldsAllocationStyle=1都不会生效。
• 如果配置-XX:+CompactFields，会将ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops的顺序将字段填充到对象头信息与字段起始偏移位置的间隙中去
• 如果当前类或者类中使用了注解@sun.misc.Contended, 也会打乱上述布局

其他：

由于在计算对象字段的布局(字段基于对象起始位置的偏移量)时，当前类上述各种类型变量的个数是已知的，所以每种类型的起始偏移量就可以通过计算得到，如下：

next_nonstatic_word_offset  = next_nonstatic_double_offset +
                                (nonstatic_double_count * BytesPerLong);
next_nonstatic_short_offset = next_nonstatic_word_offset +
  (nonstatic_word_count * BytesPerInt);
next_nonstatic_byte_offset  = next_nonstatic_short_offset +
  (nonstatic_short_count * BytesPerShort);
next_nonstatic_padded_offset = next_nonstatic_byte_offset +
  nonstatic_byte_count;

而对于oops对象的偏移量处理会比较特殊，如果-XX:FieldsAllocationStyle=0, 那么oops的偏移量起始位置就为对象头之后，如果-XX:FieldsAllocationStyle=1, 则会进行下列处理，使得next_nonstatic_padded_offset与heapOopSize是对齐的。如下：

// let oops jump before padding with this allocation style
if( allocation_style == 1 ) {
  next_nonstatic_oop_offset = next_nonstatic_padded_offset;
  if( nonstatic_oop_count > 0 ) {
    next_nonstatic_oop_offset = align_size_up(next_nonstatic_oop_offset, heapOopSize);
  }
  next_nonstatic_padded_offset = next_nonstatic_oop_offset + (nonstatic_oop_count * heapOopSize);
}

同时由于这个oops补齐操作以及计算完所有字段的偏移量之后，会再进行补齐操作，与heapOopSize进行对齐，heapOopSize在开启和关闭压缩指针的情况下，值分表为4和8。

2、-XX:CompactFields

-XX:CompactFields表示是否将对象中较窄的数据插入到间隙中，-XX:+CompactFields表示插入，-XX:-CompactFields则是不插入。默认JVM是开启插入的。

那么这儿就要讨论一下为什么会插入，以及怎么插入？

首先需要了解Java对象的大致内存布局，最开始的一块区域存放对象标记以及元数据指针，然后才是实例数据，如下图所示：

它们分别对应普通对象与数组对象在内存中的布局。由于对象字段布局是在Class文件解析的时候计算的，而数组类没有对应的Class文件，所以数组对象的布局这儿不做讨论。

继续回到刚刚的话题，将对象中较窄数据的插入间隙，可以细分为2种情况

• 当前类没有父类或者是父类中没有实例数据，此时会将实例数据前的对象标记和对象元数据指针按照8字节对齐，如上图所示，在开启压缩指针的情况下，对齐前占用12个字节，对齐后到16字节，此时存在4个字节的间隙，那么会将类中存在的字段按照 ints、chars/shorts、bytes/booleans、oops的顺序进行填充，直到将间隙填充完毕，由于对齐之后的间隙要么是0，要么是4，所以填充间隙最多1个ints、2个chars/shorts、4个bytes/booleans、1个oops。
• 当前类存在父类，并且父类中存在实例数据，此时会将实例数据前的对象标记和对象元数据指针 + 父类的实例数据大小按照8字节对齐，然后再进行填充，由于整个类在计算完所有字段偏移之后，会再与heapOopSize进行对齐，所以父类的实例数据大小肯定是heapOopSize的倍数，也就是与第一种情况类似，不同的是，子类中的字段属性需要在父类字段之后进行分配。

最终可以得到如下图所示：

间隙插入受-XX:CompactFields影响外，还受到配置-XX:-UseCompressedOops的影响，回到上面的对齐，在开启压缩指针的情况下，元数据指针占8个字节，这时候按照上面的细分情况1，也就不存在对齐了，而细分的情况二，由于父类在计算完字段偏移量之后会与heapOopSize对齐，heapOopSize在开启压缩指针的情况下为jintSize， 关闭的情况下为oopSize，分别对应4和8, 也就是关闭压缩指针的情况下，无论如何都不会发生间隙插入。

3、@sun.misc.Contended

@sun.misc.Contended也会影响对象在内存中的布局，这个注解是为了解决伪共享(False Sharing)的问题，关于伪共享的问题这儿就不讲解了。

@sun.misc.Contended 可以用于修饰类、也可以用于修饰字段。

对于在类上的修饰来讲，会在2个地方增加ContendedPaddingWidth，这个变量值为128。

一个地方是对象标记和元数据指针 + 父类实例数据(当前可能没有父类实例数据)之后 + ContendedPaddingWidth，然后再与8位进行对齐，另一个地方是，所有的非Contended实例字段偏移量计算完毕后，再加上ContendedPaddingWidth。

处理完类，接下来是字段，这儿的字段偏移量计算跟上面不一样，并没有按照double/long、ints、chars/shorts、bytes/booleans的顺序来，而是按照@sun.misc.Contended对应的group来进行计算，相同group的字段会放在一起，不同group的字段之间会以ContendedPaddingWidth来隔开，这儿比较特殊的情况是默认分组，默认分组为0，这个分组对应的每个字段在计算完偏移量之后都会加上ContendedPaddingWidth。所以@sun.misc.Contended修饰的字段布局如下图所示：

同时在计算每个字段偏移前，会使当前的偏移量与当前字段类型所对应的字节数对齐，例如int，当前偏移量会以4字节进行对齐，对齐之后的偏移量为当前int字段的偏移量。

4、静态字段的偏移量计算

静态字段的偏移量计算不受-XX:FieldsAllocationStyle和-XX:CompactFields的影响，会直接按照

oops、double/long、ints、chars/shorts、bytes/booleans的顺序进行偏移量的计算。

同时给静态字段 加上@sun.misc.Contended不会起到任何作用。

5、示例

5.1、-XX:FieldsAllocationStyle

测试代码：

final class NoChild {
    private Boolean value = Boolean.TRUE;
    private byte b;
    private int i;
}

@Test
public void test() {
  declaredFields = NoChildContended.class.getDeclaredFields();
  for (Field field : declaredFields) {
    if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
      long offset = unsafe.staticFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " static field " + field.getName() + 					" offset is " + offset);
    } else {
      long offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " field " + field.getName() + " 						offset is " + offset);
    }
  }
}

运行结果：

-XX:FieldsAllocationStyle=0 -XX:-UseCompressedOops
//可以看到对象实例数据顺序为value、int、byte，这儿由于没有开启指针压缩，所以对象引用占了8个字节。
org.yamikaze.NoChild field value offset is 16
org.yamikaze.NoChild field b offset is 28
org.yamikaze.NoChild field i offset is 24
-XX:FieldsAllocationStyle=1 -XX:-UseCompressedOops
//可以看到先分配 int变量 i，其次byte变量 b，最后才是对象 value
//这儿的byte变量b偏移是20，占用大小1字节，而经过对齐之后，会产生3个字节的align
org.yamikaze.NoChild field value offset is 24
org.yamikaze.NoChild field b offset is 20
org.yamikaze.NoChild field i offset is 16

5.2、-XX:CompactFields

测试代码：

class Parent {
    private long value;
    private int j;
    private byte b;
}

class Child2 extends Parent {
    private byte d;
    private long a;
    private int f;
}

@Test
public void test() {
  
  Child2 c = new Child2();
  Unsafe unsafe = UnSafeUtils.getUnsafe();
  Field[] declaredFields = c.getClass().getSuperclass().getDeclaredFields();
  for (Field field : declaredFields) {

    if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
      long offset = unsafe.staticFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " static field " + field.getName() + 				" offset is " + offset);
    } else {
      long offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " field " + field.getName() + " 						offset is " + offset);
    }
  }

  declaredFields = c.getClass().getDeclaredFields();
  for (Field field : declaredFields) {
    if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
      long offset = unsafe.staticFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " static field " + field.getName() + 				" offset is " + offset);

    } else {
      long offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " field " + field.getName() + " 					offset is " + offset);
    }
  }
}

测试结果：

-XX:+CompactFields -XX:+UseCompressedOops
//可以看到子类Child2的变量f并没有按照double/long、ints、shorts/chars、bytes/booleans的顺序计算偏移量，
//而是插入到了间隙里面
org.yamikaze.Parent field value offset is 16
org.yamikaze.Parent field j offset is 12
org.yamikaze.Parent field b offset is 24
org.yamikaze.Child2 field d offset is 40
org.yamikaze.Child2 field a offset is 32
org.yamikaze.Child2 field f offset is 28
-XX:-CompactFields -XX:+UseCompressedOops
//由于关闭了CompactFields，所以变量f的按照上面的顺序进行偏移量计算
org.yamikaze.Parent field value offset is 16
org.yamikaze.Parent field j offset is 24
org.yamikaze.Parent field b offset is 28
org.yamikaze.Child2 field d offset is 44
org.yamikaze.Child2 field a offset is 32
org.yamikaze.Child2 field f offset is 40

5.3、Contended

测试代码：

@Contended
final class NoChildContended {

    private byte b;

    @Contended("aaa")
    private double value;

    @Contended("bbb")
    private int value1;
}

@Test
public void test() {
  declaredFields = NoChildContended.class.getDeclaredFields();
  for (Field field : declaredFields) {

    if (Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {
      long offset = unsafe.staticFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " static field " + field.getName() + " offset is " + offset);

    } else {
      long offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
      System.out.println(field.getDeclaringClass().getName() + " field " + field.getName() + " offset is " + offset);
    }
  }
}

测试结果：

-XX:-RestrictContended
同分组时：
org.yamikaze.NoChildContended field b offset is 140
org.yamikaze.NoChildContended field value offset is 272
org.yamikaze.NoChildContended field value1 offset is 280
不同分组(默认分组)：
org.yamikaze.NoChildContended field b offset is 140
org.yamikaze.NoChildContended field value offset is 272
org.yamikaze.NoChildContended field value1 offset is 408

可以看到，由于Class上有@sun.misc.Contended注解修饰，导致byte变量的偏移量很大(12 + 128) 同样byte变量之后的value，偏移量再次增加了128，达到272(141 + 128 = 269然后与4字节对齐得到272)，然后相同分组的value1紧跟着value，而在不同分组的情况下，value1和value之间又隔了128。

6、其他

6.1、通过Unsafe获取实例字段和静态字段的偏移量

//实例字段
unsafe.objectFieldOffset(field);
//静态字段
unsafe.staticFieldOffset(field);

6.2、Unsafe是如何进行实例字段和静态字段偏移量的获取，以及如何通过CAS操作改变值

回到上文的偏移量计算，在经过计算后，每个字段相对于对象头的偏移量都是已知的，这个偏移量会保存到字段信息里面去，那么获取字段偏移量也很简单，直接拿到字段相关信息取得offset即可，而通过CAS操作改变字段的值也很简单，当前对象指针加上字段偏移量就是当前字段在内存中的地址，直接通过指针更字段值即可。

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