Java 對象大小的精確計算方法
日常使用Java進行業(yè)務(wù)開發(fā)時，我們基本不關(guān)心一個Java對象的大小，所以經(jīng)常因為錯誤的估算導(dǎo)致大量的內(nèi)存空間在無形之間被浪費了，所以今天筆者就基于這篇文章來聊聊一個Java對象的大小，希望對讀者日常堆內(nèi)存評估有所幫助。
一、Java對象構(gòu)成詳解
1.整體構(gòu)成概述
我們這里就以Hotspot虛擬機來探討Java對象的構(gòu)成，如下所示，可以看到Java對象的整體構(gòu)成分為:
- 對象頭(Header)
- 實例數(shù)據(jù)(Instance Data)
- 對齊填充(Padding)
2.對象頭
(1) Mark World
而對象頭是由兩部分組成的，第一部分用于存儲對象自身的數(shù)據(jù)，也就是我們常說的Mark World，它記錄著一個對象的如下信息：
- 哈希碼(hashCode)
- GC分代年齡
- 鎖狀態(tài)標志
- 線程持有鎖
- 偏向鎖id
- 偏向時間戳
(2) 類型指針
再來說說類型指針，它記錄著當前對象的元數(shù)據(jù)的地址，虛擬機可通過這個指針確定當前對象屬于哪個類的實例，也就是說如果我們希望獲得這個對象的元數(shù)據(jù)信息是可以通過類型指針定位到。 需要注意的是，在JDK8版本默認情況下，Mark World默認開啟了指針壓縮，這使得這一部分在64位的操作系統(tǒng)中的情況下，長度由原來的8個字節(jié)(64位)變?yōu)?個字節(jié)(32位)。
(3) 數(shù)組長度
最后一部分就是數(shù)組長度，如果當前對象是基本類型的數(shù)組，那么這4位則是記錄數(shù)組的長度，為什么說是基本類型呢？原因很簡單，普通Java對象的的大小是可以通過元數(shù)據(jù)信息計算獲得，而基本類型的數(shù)組卻卻無法從元數(shù)據(jù)信息中計算獲得，所以我們就需要通過4個字節(jié)記錄一下數(shù)組的長度以便計算。
3.實例數(shù)據(jù)
這一點就不多說了，這就是對象真正存儲的有效信息，這些實例數(shù)據(jù)可以是從父類繼承也可以是自定義字段，因為實例數(shù)據(jù)可能存在多個，Hotspot虛擬機定義了實例對象內(nèi)存分配的先后順序：
- long/double(8字節(jié))
- int(4字節(jié))
- short/char(2字節(jié))
- byte/boolean(1字節(jié))
- oops(Ordinary Object Pointers 普通對象指針)
4.對齊填充
Hotspot虛擬機為了保證在指針壓縮的情況下，32字節(jié)的空間仍然表示32G的內(nèi)存空間地址，用到了8位對齊填充的思想，既保證了緩存命中率可以記錄更多的對象，又能記錄更多的對象地址。 因為指針壓縮涉及的知識點比較多，筆者后續(xù)會單獨開一個篇幅進行補充，這里我們有先說一下對其填充，假設(shè)我們現(xiàn)在有這樣一個Java對象，可以看到在實例數(shù)據(jù)部分，它有8字節(jié)的long變量和4字節(jié)的int變量，合起來是12字節(jié)：
public
class
Obj
{
private
long id;
private
int age;
}而8位對齊填充的意思就是實例數(shù)據(jù)部分的和要能夠被16整除，所以對于這個對象的實例部分，我們還需要補充4個字節(jié)做到8位的對齊填充：
二、基于JOL了解Java對象的構(gòu)成
1.前置步驟
了解了Java對象的組成之后，我們不妨通過JOL(Java Object Layout)來印證一下筆者的觀點，所以我們需要在項目中引入下面這個依賴開始本次的實驗：
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.10</version>
</dependency>2.空對象
首先是一個空對象EmptyObj ，可以看到這個對象沒有任何成員變量：
class
EmptyObj
{
}我們都知道默認情況下，JDK8是開啟指針壓縮的，可以看到object header總共12字節(jié)，其中Mark World占了前8字節(jié)(4+4)，類型指針占了4字節(jié)，加起來是12字節(jié)，而Java對象要求16位對齊，所以需要補齊4位，總的結(jié)果是16字節(jié)：
com.sharkChili.webTemplate.EmptyObj object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total我們再來看看關(guān)閉指針的壓縮的結(jié)果，首先我們設(shè)置JVM參數(shù)將指針壓縮關(guān)閉:
-XX:-UseCompressedClassPointers此時我們就發(fā)現(xiàn)指針由原來是object header多了4位，原本被壓縮的指針占用空間被還原了(offset為8-12的部分)，總的計算結(jié)果為16字節(jié)，無需對齊填充:
com.sharkChili.webTemplate.EmptyObj object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) c0 34 b8 1c (11000000 00110100 10111000 00011100) (481834176)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total3.數(shù)組對象
我們再來看看數(shù)組對象，在默認開啟指針壓縮的情況下，我們創(chuàng)建了一個長度為3的數(shù)組：
com.sharkChili.webTemplate.EmptyObj object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) c0 34 b8 1c (11000000 00110100 10111000 00011100) (481834176)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total可以看到：
- Mark World占了8字節(jié)
- 指針4字節(jié)(offfset為8這一部分)
- offset為12這一部分也有了4字節(jié)的空間，記錄了一個值3即數(shù)組長度
所以8+4+4=16，對象頭剛剛好8位對齊，故無需對齊填充。
再看看實例數(shù)據(jù)部分(offset為16)這一部分，因為數(shù)組中有3個整形所以長度size為12，需要補充4字節(jié)達到8位對齊，最終這個數(shù)組對象的長度為16(對象頭)+16(實例數(shù)據(jù)部分)=32字節(jié)：
[I object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
12 4 (object header) 03 00 00 00 (00000011 00000000 00000000 00000000) (3)
16 12 int [I.<elements> N/A
28 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total我們再來看看關(guān)閉指針壓縮的結(jié)果，可以看到mark word和指針都占了8位，加上數(shù)組長度的4位，最終對象頭為20位，8位對齊后為24位。 同理實例部分還是12字節(jié)的數(shù)組元素大小加4字節(jié)的8對齊字節(jié)，關(guān)閉指針壓縮后的對象大小為40字節(jié)：
[I object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 68 0b 85 1c (01101000 00001011 10000101 00011100) (478481256)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
16 4 (object header) 03 00 00 00 (00000011 00000000 00000000 00000000) (3)
20 4 (alignment/padding gap)
24 12 int [I.<elements> N/A
36 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 40 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 4 bytes external = 8 bytes total4.帶有成員變量的對象
我們再來說說帶有成員變量的Java對象，也就是我們?nèi)粘Ｊ褂玫钠胀↗ava對象：
class
NormalObject
{
int a;
short b;
byte c;
}默認開啟指針壓縮的情況下，對象頭為8+4=12字節(jié)，而實例數(shù)據(jù)部分，參考上文的實例數(shù)據(jù)順序，我們的NormalObject的實例數(shù)據(jù)內(nèi)存分配順序為int、short、byte。 虛擬機為了更好的利用內(nèi)存空間，看到對象頭還差4字節(jié)才能保證對象頭8位對齊填充，故將實例數(shù)據(jù)int作為對齊填充移動至對象頭。
所以實例數(shù)據(jù)部分長度是2+1+5(對齊填充)，最終在指針壓縮的情況下，當前對象長度為24字節(jié)。
com.sharkChili.webTemplate.NormalObject object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 int NormalObject.a 0
16 2 short NormalObject.b 0
18 1 byte NormalObject.c 0
19 5 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 5 bytes external = 5 bytes total同理，關(guān)閉指針壓縮，相比讀者現(xiàn)在也知道如何計算了，筆者這里就不多贅述了，答案是是對象頭8+8，實例數(shù)據(jù)4+2+1+1(對齊填充)，即關(guān)閉指針壓縮情況下，當前普通對象大小為24字節(jié)：
com.sharkChili.webTemplate.NormalObject object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 10 35 0b 1d (00010000 00110101 00001011 00011101) (487273744)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
16 4 int NormalObject.a 0
20 2 short NormalObject.b 0
22 1 byte NormalObject.c 0
23 1 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 1 bytes external = 1 bytes total5.帶有數(shù)組的對象
最后我們再來看看帶有數(shù)組的對象：
class NormalObject {
int a;
short b;
byte c;
int[] arr = new int[3];
}先來看看開啟指針壓縮8+4+int變量作為對齊填充即16字節(jié)，注意很多讀者會認為此時還需要計算數(shù)組長度，實際上數(shù)組長度記錄的是當前對象為數(shù)組情況下的數(shù)組的長度，而非成員變量的數(shù)組長度，所以我們的對象頭總的大小就是16。
然后實例數(shù)據(jù)部分4+2+1+1(對齊填充)，最后就是數(shù)組引用4+4(對齊填充)，最終結(jié)果為16+8+8即32：
com.sharkChili.webTemplate.NormalObject object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 4 int NormalObject.a 0
16 2 short NormalObject.b 0
18 1 byte NormalObject.c 0
19 1 (alignment/padding gap)
20 4 int[] NormalObject.arr [0, 0, 0]
Instance size: 24 bytes
Space losses: 1 bytes internal + 0 bytes external = 1 bytes total關(guān)閉指針壓縮情況下，對象頭8+8。實例數(shù)據(jù)4+2+1+1(對齊填充)，再加上數(shù)組引用的4字節(jié)+4字對齊填充，最終計算結(jié)果為32字節(jié)。
com.sharkChili.webTemplate.NormalObject object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 48 35 f8 1c (01001000 00110101 11111000 00011100) (486028616)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
16 4 int NormalObject.a 0
20 2 short NormalObject.b 0
22 1 byte NormalObject.c 0
23 1 (alignment/padding gap)
24 4 int[] NormalObject.arr [0, 0, 0]
28 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes
Space losses: 1 bytes internal + 4 bytes external = 5 bytes total小結(jié)
總的來說要想獲取Java對象的大小，我們只需按照如下步驟即可精確計算：
- mark world 8位。
- 確認是否開啟指針壓縮，以計算類型指針大小。
- 是否是數(shù)組，若是則增加4字節(jié)數(shù)組長度位。
- 計算對象頭總和進行8位填充。
- 實例數(shù)據(jù)按照順序排列并計算總和，并進行8位填充。
- 引用數(shù)據(jù)計算總和，并進行8位填充。
- 綜合上述計算結(jié)果。
