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

1. 對(duì)象頭（Object Header）

對(duì)象頭是每個(gè) Java 對(duì)象的前導(dǎo)部分，包含了對(duì)象的一些關(guān)鍵元信息和狀態(tài)。它通常分為兩個(gè)主要部分，有時(shí)還會(huì)包括一個(gè)額外的部分用于數(shù)組長(zhǎng)度。

1.1 運(yùn)行時(shí)元數(shù)據(jù)（Mark Word）

• 哈希碼（Hash Code）：當(dāng)對(duì)象調(diào)用 hashCode() 方法時(shí)，如果對(duì)象頭中的哈希碼字段為 0（表示未計(jì)算過(guò)哈希碼），JVM 會(huì)計(jì)算對(duì)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(jì)算。
• GC 分代年齡：用于標(biāo)記對(duì)象在垃圾回收中的存活代數(shù)，幫助 JVM 決定是否將該對(duì)象移動(dòng)到老年代。
• 鎖標(biāo)識(shí)狀態(tài)：指示對(duì)象的鎖狀態(tài)，如輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖、偏向鎖等。Java 的并發(fā)控制機(jī)制依賴(lài)于這些狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的線(xiàn)程同步。
• 線(xiàn)程持有的鎖：如果是輕量級(jí)鎖，這里會(huì)記錄持有該鎖的線(xiàn)程 ID。
• 偏向線(xiàn)程 ID：在偏向鎖模式下，記錄偏向的線(xiàn)程 ID，以便快速判斷當(dāng)前線(xiàn)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(jì)非常緊湊，通過(guò)不同的標(biāo)志位來(lái)區(qū)分上述多種狀態(tài)。

1.2 類(lèi)元數(shù)據(jù)指針（Class Metadata Pointer）

• 這是一個(gè)指向?qū)ο笏鶎兕?lèi)的元數(shù)據(jù)的指針。類(lèi)元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在方法區(qū)（Method Area），包含了類(lèi)的結(jié)構(gòu)信息、方法數(shù)據(jù)、常量池等。通過(guò)這個(gè)指針，JVM 可以找到并訪(fǎng)問(wèn)對(duì)象的類(lèi)定義。

1.3 數(shù)組長(zhǎng)度（僅對(duì)數(shù)組對(duì)象）

• 如果對(duì)象是數(shù)組類(lèi)型，對(duì)象頭還會(huì)包含一個(gè)額外的字段來(lái)記錄數(shù)組的長(zhǎng)度。這個(gè)長(zhǎng)度是數(shù)組能容納的元素個(gè)數(shù)，對(duì)于非數(shù)組對(duì)象，這個(gè)字段不存在。

2. 實(shí)例數(shù)據(jù)（Instance Data）

實(shí)例數(shù)據(jù)部分是對(duì)象存儲(chǔ)其實(shí)際數(shù)據(jù)的地方，包括從父類(lèi)繼承的字段和對(duì)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(huì)根據(jù)字段的類(lèi)型和數(shù)量進(jìn)行內(nèi)存分配。

• 字段分配：基本數(shù)據(jù)類(lèi)型（如 int、float、boolean 等）直接存儲(chǔ)其值，而引用類(lèi)型（如對(duì)象引用、數(shù)組引用）則存儲(chǔ)指向?qū)嶋H對(duì)象的指針。
• 內(nèi)存對(duì)齊：為了提高訪(fǎng)問(wèn)效率，JVM 可能會(huì)對(duì)字段進(jìn)行內(nèi)存對(duì)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(gè)特定大小的整數(shù)倍（如 8 字節(jié)）。

示例：

假設(shè)有一個(gè)簡(jiǎn)單的 Java 類(lèi)：

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

對(duì)于 Person 類(lèi)的對(duì)象，其實(shí)例數(shù)據(jù)部分可能如下所示：

• age（4 字節(jié)）
• 對(duì) 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(duì)齊的要求，isEmployed 字段后可能會(huì)有一些填充字節(jié)，以確保下一個(gè)字段或?qū)ο蟮钠鹗嫉刂穼?duì)齊。

3. 對(duì)齊填充（Padding）

對(duì)齊填充是為了滿(mǎn)足 JVM 對(duì)對(duì)象內(nèi)存布局的要求，特別是 8 字節(jié)對(duì)齊的要求。JVM 通過(guò)在對(duì)象末尾添加未使用的字節(jié)來(lái)確保對(duì)象的總大小是 8 字節(jié)的整數(shù)倍。這有助于優(yōu)化對(duì)象的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)速度，因?yàn)樵S多現(xiàn)代處理器在訪(fǎng)問(wèn)對(duì)齊的內(nèi)存時(shí)效率更高。

示例分析

結(jié)合上述知識(shí)，我們可以深入分析一個(gè)稍微復(fù)雜一點(diǎn)的 Java 對(duì)象結(jié)構(gòu)。

示例類(lèi)：

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

假設(shè) Person 類(lèi)定義如前所示，Employee 類(lèi)的對(duì)象結(jié)構(gòu)可以分析如下：

• 對(duì)象頭：

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

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

  • age（4 字節(jié)，來(lái)自 Person）
  • 對(duì) name 的引用（8 字節(jié)，來(lái)自 Person）
  • isEmployed（1 字節(jié)，來(lái)自 Person），后可能有 3 字節(jié)填充以確保 salary 對(duì)齊
  • salary（8 字節(jié)）
  • 對(duì) department 的引用（8 字節(jié)）

• 對(duì)齊填充：

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

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

|--- 對(duì)象頭 ---|--- Person 的字段 ---|--- Employee 的字段 ---|--- 對(duì)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(shí)現(xiàn)和內(nèi)存對(duì)齊策略。

結(jié)語(yǔ)

Java 對(duì)象的結(jié)構(gòu)是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，它不僅考慮了如何高效地存儲(chǔ)對(duì)象的信息，還考慮了如何支持垃圾回收、并發(fā)控制等高級(jí)功能。通過(guò)對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充的巧妙組合，Java 能夠在保持靈活性的同時(shí)，提供高性能的內(nèi)存管理和并發(fā)控制。理解這些底層細(xì)節(jié)對(duì)于開(kāi)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(duì)象或高并發(fā)場(chǎng)景時(shí)。