Java 對象在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)是一個復(fù)雜且精細的設(shè)計，它不僅關(guān)乎對象如何存儲，還直接影響到垃圾回收（GC）、并發(fā)控制等運行時行為。一個典型的 Java 對象主要由三部分組成：對象頭（Object Header）、實例數(shù)據(jù)（Instance Data）和對齊填充（Padding）。

1. 對象頭（Object Header）

對象頭是每個 Java 對象的前導(dǎo)部分，包含了對象的一些關(guān)鍵元信息和狀態(tài)。它通常分為兩個主要部分，有時還會包括一個額外的部分用于數(shù)組長度。

1.1 運行時元數(shù)據(jù)（Mark Word）

• 哈希碼（Hash Code）：當(dāng)對象調(diào)用 hashCode() 方法時，如果對象頭中的哈希碼字段為 0（表示未計算過哈希碼），JVM 會計算對象的哈希碼并存入此字段。后續(xù)調(diào)用 hashCode() 則直接返回該值，避免重復(fù)計算。
• GC 分代年齡：用于標(biāo)記對象在垃圾回收中的存活代數(shù)，幫助 JVM 決定是否將該對象移動到老年代。
• 鎖標(biāo)識狀態(tài)：指示對象的鎖狀態(tài)，如輕量級鎖、重量級鎖、偏向鎖等。Java 的并發(fā)控制機制依賴于這些狀態(tài)來實現(xiàn)高效的線程同步。
• 線程持有的鎖：如果是輕量級鎖，這里會記錄持有該鎖的線程 ID。
• 偏向線程 ID：在偏向鎖模式下，記錄偏向的線程 ID，以便快速判斷當(dāng)前線程是否持有鎖。

Mark Word 的大小通常是 32 位或 64 位，取決于 JVM 的配置和操作系統(tǒng)架構(gòu)。它的設(shè)計非常緊湊，通過不同的標(biāo)志位來區(qū)分上述多種狀態(tài)。

1.2 類元數(shù)據(jù)指針（Class Metadata Pointer）

• 這是一個指向?qū)ο笏鶎兕惖脑獢?shù)據(jù)的指針。類元數(shù)據(jù)存儲在方法區(qū)（Method Area），包含了類的結(jié)構(gòu)信息、方法數(shù)據(jù)、常量池等。通過這個指針，JVM 可以找到并訪問對象的類定義。

1.3 數(shù)組長度（僅對數(shù)組對象）

• 如果對象是數(shù)組類型，對象頭還會包含一個額外的字段來記錄數(shù)組的長度。這個長度是數(shù)組能容納的元素個數(shù)，對于非數(shù)組對象，這個字段不存在。

2. 實例數(shù)據(jù)（Instance Data）

實例數(shù)據(jù)部分是對象存儲其實際數(shù)據(jù)的地方，包括從父類繼承的字段和對象本身定義的字段。這些數(shù)據(jù)按照聲明順序排列，并且 JVM 會根據(jù)字段的類型和數(shù)量進行內(nèi)存分配。

• 字段分配：基本數(shù)據(jù)類型（如 int、float、boolean 等）直接存儲其值，而引用類型（如對象引用、數(shù)組引用）則存儲指向?qū)嶋H對象的指針。
• 內(nèi)存對齊：為了提高訪問效率，JVM 可能會對字段進行內(nèi)存對齊，即在字段之間插入一些未使用的字節(jié)，以確保字段的起始地址是某個特定大小的整數(shù)倍（如 8 字節(jié)）。

示例：

假設(shè)有一個簡單的 Java 類：

public class Person {private int age;private String name;private boolean isEmployed;
}

對于 Person 類的對象，其實例數(shù)據(jù)部分可能如下所示：

• age（4 字節(jié)）
• 對 name 的引用（8 字節(jié)，假設(shè)是 64 位 JVM）
• isEmployed（1 字節(jié)）

由于內(nèi)存對齊的要求，isEmployed 字段后可能會有一些填充字節(jié)，以確保下一個字段或?qū)ο蟮钠鹗嫉刂穼R。

3. 對齊填充（Padding）

對齊填充是為了滿足 JVM 對對象內(nèi)存布局的要求，特別是 8 字節(jié)對齊的要求。JVM 通過在對象末尾添加未使用的字節(jié)來確保對象的總大小是 8 字節(jié)的整數(shù)倍。這有助于優(yōu)化對象的內(nèi)存訪問速度，因為許多現(xiàn)代處理器在訪問對齊的內(nèi)存時效率更高。

示例分析

結(jié)合上述知識，我們可以深入分析一個稍微復(fù)雜一點的 Java 對象結(jié)構(gòu)。

示例類：

public class Employee extends Person {private double salary;private String department;
}

假設(shè) Person 類定義如前所示，Employee 類的對象結(jié)構(gòu)可以分析如下：

• 對象頭：

  • Mark Word（8 字節(jié)，假設(shè) 64 位 JVM）
  • 類元數(shù)據(jù)指針（8 字節(jié)）

• 實例數(shù)據(jù)（從 Person 繼承的和 Employee 自身的）：

  • age（4 字節(jié)，來自 Person）
  • 對 name 的引用（8 字節(jié)，來自 Person）
  • isEmployed（1 字節(jié)，來自 Person），后可能有 3 字節(jié)填充以確保 salary 對齊
  • salary（8 字節(jié)）
  • 對 department 的引用（8 字節(jié)）

• 對齊填充：

  • 根據(jù)需要添加，以確保對象總大小是 8 字節(jié)的整數(shù)倍。

假設(shè)沒有其他內(nèi)存對齊的特殊要求，Employee 對象的大致內(nèi)存布局可能如下（單位：字節(jié)）：

|--- 對象頭 ---|--- Person 的字段 ---|--- Employee 的字段 ---|--- 對齊填充 ---|
|    Mark     |     age    |  name ref  |  isEmployed | padding |    salary    | department ref |  padding  |
|    (8)      |    (4)     |    (8)     |     (1)     |  (3)    |     (8)      |      (8)       |   (?)     |

padding 的數(shù)量取決于具體的 JVM 實現(xiàn)和內(nèi)存對齊策略。

結(jié)語

Java 對象的結(jié)構(gòu)是一個精心設(shè)計的系統(tǒng)，它不僅考慮了如何高效地存儲對象的信息，還考慮了如何支持垃圾回收、并發(fā)控制等高級功能。通過對象頭、實例數(shù)據(jù)和對齊填充的巧妙組合，Java 能夠在保持靈活性的同時，提供高性能的內(nèi)存管理和并發(fā)控制。理解這些底層細節(jié)對于開發(fā)高性能的 Java 應(yīng)用程序至關(guān)重要，尤其是在處理大量對象或高并發(fā)場景時。