JVM初窥：Java对象的内存结构

参考书籍：《Java特种兵（上册）》

对象内存结构

Class文件以字节码的形式存储在方法区当中，用来描述一个类本身的内存结构。当使用Class文件新建对象时，对象实例的内存结构又究竟是个什么样子呢？

如图所示，为了表示对象的属性、方法等信息，HotSpot VM使用对象头部的一个指针指向Class区域的方式来找到对象的Class描述，以及内部的方法、属性入口。除此之外，还在对象的头部划分了部分空间（Mark Word），用于描述与对象相关的其他信息，例如：是否加锁、GC标志位、Minor GC次数、对象默认的hashCode（System.identityHashCode(object)可获取对象的这个值）。
在32位系统下，存放Class指针的空间大小是4字节，Mark Word空间大小也是4字节，因此就是8字节的头部，如果是数组还需要增加4字节来表示数组的长度。
在64位系统及64位JVM下，开启指针压缩（参数是 -XX:+UseCompressedOops），那么头部存放Class指针的空间大小还是4字节，而Mark Word区域会变大，变成8字节，也就是头部最少为12字节。
若未开启指针压缩，那么保存Class指针的空间大小也会变成8字节，那么对象头部会变成16字节。另外，在64位模式下，若未开启压缩，引用也会变成8字节。
此外，Java对象将以8字节对齐在内存中，也就是对象占用的空间不是8字节的倍数，将会被补齐为8字节的倍数，这样做的好处是，在对象分配和查找的过程中不用考虑过多的偏移量问题。
以下是在32位系统下一些常见对象占用的空间大小示例。

没有继承的对象属性排布

在默认情况下，HotSpot VM会按照一个顺序排布对象的内部属性，这个顺序是，long/double-->int/float-->short/char-->byte/boolean-->Reference（与对象本身的属性顺序无关）。

有继承的对象属性排布

在HotSpot VM中，有继承关系的对象在创建时，父类的属性会被分配到相应的对象中，由于父类的属性不能和子类混用，所以它们必须单独排布在一个地方，可以认为它们就是从上到下的一个顺序。以两重继承为例，对象继承属性排布规则如下图所示。

这里的对齐有两种：一是整个对象的8字节对齐；二是父类到子类的属性对齐。在32位及64位压缩模式下，会按照4字节对齐。
例如下面的例子：

class A {byte b;}class B extends A {byte b;}class C extends B {byte b;}

如何计算对象大小

有时，我们需要知道Java对象到底占用多少内存，有人通过连续调用两次System.gc()比较两次gc前后内存的使用量在计算java对象的大小，也有人根据Java虚拟机规范中的Java对象内存排列估算对象的大小，这两种方法或多或少都有问题，因为System.gc()并不一定促发GC，同一个类型的对象在32位与64位JVM中使用的内存会不一样，在64位虚拟机中是否开启指针压缩也会影响Java对象在内存中的大小。
那么有没有一种既准确又方便的方法计算对象的大小呢？答案是肯定的。在Java 5中引入了Instrumentation类，这个类提供了计算对象内存占用量的方法；Hotspot支持instrumentation框架，其他的虚拟机也提供了类似的框架。
使用Instrumentation类计算Java对象大小的过程如下：

创建一个含有premain()方法的Java 类。

package sizeof;import java.lang.instrument.Instrumentation;import java.lang.reflect.Array;import java.lang.reflect.Field;import java.lang.reflect.Modifier;import java.util.IdentityHashMap;import java.util.Map;import java.util.Stack;public class DeepObjectSizeOf {private static Instrumentation inst;public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instP) {inst = instP;}public static long sizeOf(Object object) {//计算当前对象的内存大小，不包含引用对象return inst.getObjectSize(object);}public static long deepSizeOf(Object obj) {//深入检索对象，并计算大小       Map<Object, Object> visited = new IdentityHashMap<Object, Object>();       Stack<Object> stack = new Stack<Object>();       long result = internalSizeOf(obj, stack, visited);       while (!stack.isEmpty()) {//通过栈进行遍历          result += internalSizeOf(stack.pop(), stack, visited);       }       visited.clear();       return result;    }    private static boolean needSkipObject(Object obj, Map<Object, Object> visited) {       if (obj instanceof String) {          if (obj == ((String) obj).intern()) {             return true;          }       }       return (obj == null) || visited.containsKey(obj);    }    private static long internalSizeOf(Object obj, Stack<Object> stack, Map<Object, Object> visited) {       if (needSkipObject(obj, visited)) {           return 0;       }       visited.put(obj, null);//将当前对象放入栈中       long result = 0;       result += sizeOf(obj);       Class <?>clazz = obj.getClass();       if (clazz.isArray()) {//如果数组           if(clazz.getName().length() != 2) {//如果primitive type array，Class的name为2位              int length =  Array.getLength(obj);              for (int i = 0; i < length; i++) {                 stack.add(Array.get(obj, i));              }           }           return result;       }       return getNodeSize(clazz , result , obj , stack);   }   //这个方法获取非数组对象自身的大小，并且可以向父类进行向上搜索   private static long getNodeSize(Class <?>clazz , long result , Object obj , Stack<Object> stack) {      while (clazz != null) {          Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();          for (Field field : fields) {              if (!Modifier.isStatic(field.getModifiers())) {//这里抛开静态属性                   if (field.getType().isPrimitive()) {//这里抛开基本关键字（因为基本关键字在调用java默认提供的方法就已经计算过了）                       continue;                   }else {                       field.setAccessible(true);                      try {                           Object objectToAdd = field.get(obj);                           if (objectToAdd != null) {                                  stack.add(objectToAdd);//将对象放入栈中，一遍弹出后继续检索                           }                       } catch (IllegalAccessException ex) {                           assert false;                  }              }          }      }      clazz = clazz.getSuperclass();//找父类class，直到没有父类   }   return result;  }}

JVM会在应用程序运行之前调用这个Java 类的premain()方法（也就是在执行应用程序的main方法之前），JVM会在调用该方法时传入一个实现Instrumentation接口的实例，通过调用此接口实例的getObjectSize()方法可以计算出对象的大小（只计算当前对象的大小，不会进一步计算内部引用对象的大小）。

将创建好的Java类打成一个jar包

在打包之前先创建一个MANIFEST.txt文件作为这个jar包的清单文件，其内容如下：

Manifest-Version: 1.0Premain-Class: sizeof.DeepObjectSizeOf

按照Java类文件的包路径创建好目录（DeepObjectSizeOf.class文件放在sizeof文件夹中）。

使用用如下命令创建jar包：

jar -cmf MANIFEST.txt java_sizeof.jar sizeof/*

修改JVM启动配置

修改Eclipse IDE的JVM启动配置，增加-javaagent启动参数：

-javaagent:jar文件路径

我创建的 java_sizeof.jar放在D:\sizeof目录下，设置参数如下。

测试样例

创建一个测试类SizeOfMain.java，代码如下。

package sizeof;public class SizeOfMain {public static void main(String[] args) {System.out.println("new Integer(1) 对象大小："+ DeepObjectSizeOf.deepSizeOf(new Integer(1)));System.out.println("new String(\"sizeof\") 对象大小："+ DeepObjectSizeOf.deepSizeOf(new String("sizeof")));}}

在64位机器上（不开启指针压缩）：
设置参数：-javaagent:d:\sizeof/java_sizeof.jar -XX:-UseCompressedOops
执行结果：

在64位机器上（开启指针压缩）：
设置参数：-javaagent:d:\sizeof/java_sizeof.jar -XX:+UseCompressedOops
执行结果：