JAVA对象头的指针压缩

news2024/11/24 11:45:03

JAVA对象头的指针压缩

文章目录

  • JAVA对象头的指针压缩
    • 对象在JVM中的内存布局
    • 对象的访问定位
    • 压缩实验
      • 实验步骤
        • 压缩策略组合
        • 压缩内容
        • 压缩后的影响
        • 指针压缩的实现
    • JVM内存关键大小

对象在JVM中的内存布局

在 Hotspot 虚拟机中,对象的内存布局主要由 3 部分组成：

  1. 对象头（Header）:包含了对象运行时数据Mark Word，Klass Pointer、数组长度（数组对象才会有）。

    • Mark Word：包含对象运行时的信息，包括哈希码、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。
    • 类型指针（Klass Pointer）：即对象指向它的类型元数据的指针。通过直接指针访问对象才需要在对象上存储类型指针，通过句柄访问对象时不需要此指针。Hotspot采用的是直接指针访问对象的方式，所以这类虚拟机中的对象上存储了类型指针。
    • 数组长度：数组对象才会有。
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述

  2. 实例数据（Instance Data）：对象存储的真正有效数据，即当前类型的字段和父类继承的字段

  3. 对应填充（Padding）：不一定存在，主要用于占位符。虚拟机中任何对象的大小都是8字节的整数倍，如果对象所占空间不是8字节的整数倍，会进行补充对齐。

对象的访问定位

在对象创建之后，JAVA程序会通过JAVA栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式主要由虚拟机自主实现，主流的有两种方式：

  • 通过句柄访问对象

    JAVA堆中会有一块内存作为句柄池，reference中存储的是对象的句柄地址，在句柄中包含了对象的实例数据和对象的类型数据的地址。

    优势：reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象发生移动的时候（比如在垃圾回收的时候会移动对象），只改变了句柄中对象实例数据的地址，而reference不需要修改。

    // 访问图解

  • 通过直接直接访问对象

    JAVA堆中的对象实例数据中存储着对象类型数据的地址，reference中存储的是对象的地址。

    优势：访问速度快，在访问对象的时候比句柄方式少一次指针定位的时间开销，由于对象访问比较频繁，那这个节约的开销积累下来就很可观了。

    // 访问图解

压缩实验

实验步骤

  • 使用的是64位OS

  • 引入查看对象头布局的工具

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.17</version>
</dependency>

package org.donny;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * @author 1792998761@qq.com
 * @description 借助openjdk的jol工具, 查看对象内存的占用情况
 * oop(ordinary object pointer)--对象指针
 * -XX:+UseCompressedOops 默认开启
 * -XX:+UseCompressedClassPointers  默认开启对象头里面的类型指针压缩
 * @date 2023/6/5
 */
public class TestObjectHeader {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("============Object对象===========");
        ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(new Object());
        System.out.println(layout.toPrintable());

        System.out.println("============int类型数组对象===========");
        ClassLayout layout1 = ClassLayout.parseInstance(new int[]{});
        System.out.println(layout1.toPrintable());

        System.out.println("============复合类型对象===========");
        ClassLayout layout2 = ClassLayout.parseInstance(new CompositeObjectsTest());
        System.out.println(layout2.toPrintable());
    }

    public static class CompositeObjectsTest {
        //8B mark word
        //4B Klass Pointer   如果关闭压缩-XX:-UseCompressedClassPointers或-XX:-UseCompressedOops，则占用8B
        int id;        //4B
        String name;   //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops，则占用8B
        byte b;        //1B
        Object o;      //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops，则占用8B
    }
}

在这里插入图片描述

压缩策略组合

VM的配置项

  • UseCompressedOops：压缩当前对象实例数据中的 Klass Pointer 指针
  • UseCompressedClassPointers：压缩当前对象的对象头中 Klass Pointer 指针

对象指针压缩+对象头的类型指针压缩

JDK1.8之后默认开启这两个压缩

VM options: -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseCompressedClassPointers

============Object对象===========
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   4        (object header: class)    0xf80001e5
 12   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

============int类型对象===========
[I object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   4        (object header: class)    0xf800016d
 12   4        (array length)            0
 16   0    int [I.<elements>             N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

============复合类型对象===========
org.donny.TestObjectHeader$CompositeObjectsTest object internals:
OFF  SZ               TYPE DESCRIPTION                 VALUE
  0   8                    (object header: mark)       0x0000000000000005 (biasable; age: 0)
  8   4                    (object header: class)      0xf800f161
 12   4                int CompositeObjectsTest.id     0
 16   1               byte CompositeObjectsTest.b      0
 17   3                    (alignment/padding gap)     
 20   4   java.lang.String CompositeObjectsTest.name   null
 24   4   java.lang.Object CompositeObjectsTest.o      null
 28   4                    (object alignment gap)      
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total

对象指针不压缩+对象头的类型指针压缩

VM options：-XX:-UseCompressedOops -XX:+UseCompressedClassPointers

============Object对象===========
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   8        (object header: class)    0x0000012a6a481c00
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

============int类型对象===========
[I object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   8        (object header: class)    0x0000012a6a480b68
 16   4        (array length)            0
 20   4        (alignment/padding gap)   
 24   0    int [I.<elements>             N/A
Instance size: 24 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total

============复合类型对象===========
org.donny.TestObjectHeader$CompositeObjectsTest object internals:
OFF  SZ               TYPE DESCRIPTION                 VALUE
  0   8                    (object header: mark)       0x0000000000000005 (biasable; age: 0)
  8   8                    (object header: class)      0x0000012a6aae3210
 16   4                int CompositeObjectsTest.id     0
 20   1               byte CompositeObjectsTest.b      0
 21   3                    (alignment/padding gap)     
 24   8   java.lang.String CompositeObjectsTest.name   null
 32   8   java.lang.Object CompositeObjectsTest.o      null
Instance size: 40 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 0 bytes external = 3 bytes total

对象指针压缩+对象头的类型指针不压缩

VM options: -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseCompressedClassPointers

============Object对象===========
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   8        (object header: class)    0x000002d380801c00
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

============int类型对象===========
[I object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   8        (object header: class)    0x000002d380800b68
 16   4        (array length)            0
 20   4        (alignment/padding gap)   
 24   0    int [I.<elements>             N/A
Instance size: 24 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total

============复合类型对象===========
org.donny.TestObjectHeader$CompositeObjectsTest object internals:
OFF  SZ               TYPE DESCRIPTION                 VALUE
  0   8                    (object header: mark)       0x0000000000000005 (biasable; age: 0)
  8   8                    (object header: class)      0x000002d380e63210
 16   4                int CompositeObjectsTest.id     0
 20   1               byte CompositeObjectsTest.b      0
 21   3                    (alignment/padding gap)     
 24   4   java.lang.String CompositeObjectsTest.name   null
 28   4   java.lang.Object CompositeObjectsTest.o      null
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 0 bytes external = 3 bytes total

对象指针不压缩+对象头的类型指针不压缩

VM options: -XX:-UseCompressedOops -XX:-UseCompressedClassPointers

============Object对象===========
java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   8        (object header: class)    0x00000234d96d1c00
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

============int类型对象===========
[I object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   8        (object header: class)    0x00000234d96d0b68
 16   4        (array length)            0
 20   4        (alignment/padding gap)   
 24   0    int [I.<elements>             N/A
Instance size: 24 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total

============复合类型对象===========
org.donny.TestObjectHeader$CompositeObjectsTest object internals:
OFF  SZ               TYPE DESCRIPTION                 VALUE
  0   8                    (object header: mark)       0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   8                    (object header: class)      0x00000234d9d33210
 16   4                int CompositeObjectsTest.id     0
 20   1               byte CompositeObjectsTest.b      0
 21   3                    (alignment/padding gap)     
 24   8   java.lang.String CompositeObjectsTest.name   null
 32   8   java.lang.Object CompositeObjectsTest.o      null
Instance size: 40 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 0 bytes external = 3 bytes total

结果集解释

OFF代表offset
SZ代表size
VALUE代表的十六进制的表示值
alignment/padding gap代表不足8字节的整数倍，填充补齐项
类型开启指针压缩不开启指针压缩
Object16字节16字节
int数组16字节24字节
复合对象32字节40字节

压缩内容

可以发现通过指针压缩可以对以下数据进行压缩：

  1. 对象头信息:64位平台下，原生对象头大小为16字节，压缩后为12字节
  2. 对象的引用类型:64位平台下，引用类型本身大小为8字节，压缩后为4字节
  3. 对象数组类型:64位平台下，数组类型本身大小为24字节，压缩后16字节

主要是对象头里面的kclass指针，即指向方法区的类信息的指针，由8字节变为4字节。 还有就是引用类型指针也由8字节变为4字节。

压缩后的影响

压缩后的好处：

  1. 减缓GC的压力: 即每个对象的大小都变小了，就不需要那么频繁的GC了。
  2. 增加CPU缓存的对象指针数量，同时降低CPU缓存的命中率。即CPU缓存本身的大小就小的多，如果采用八字节，CPU能缓存的oop（普通对象指针）肯定比四字节少。

指针压缩的实现

地址总线的根数决定了最大可用内存空间容量。每一个字节（B）的内存空间被视为一个地址单元，整个内存可以看作很多个地址单元组成的数组，每个地址单元有唯一确定的地址来标定，来区分不同的地址单元。地址总线的数量会变化，数据不一定准确可以查询服务器硬件参数确认。

地址总线数目内存上限
32位操作系统32 2 32 2^{32} 232=4GB
64位操作系统36或者46 2 36 2^{36} 236=64GB或者 2 46 2^{46} 246=64TB

一种理解：

当开启指针压缩后，KlassPointer的寻址极限是4 byte × 8 bit=32 bit，即KlassPointer可以存放2^32（=4G）个内存单元地址。

因为每个对象的长度一定是8的整数倍，所以KlassPointer每一数位存放的一定是8的整数倍的地址，即0/8/16/24/32/40/48/64……，也就是4G × 8 = 32G。当分配给JVM的内存空间大于32G时，KlassPointer将无法寻找大于32G的内存地址，因此设置的压缩指针将失效。

第二种理解：

JVM的实现方式是

不再保存所有引用，而是每隔8个字节保存一个引用。例如，原来保存每个引用0、1、2…，现在只保存0、8、16…。因此，指针压缩后，并不是所有引用都保存在堆中，而是以8个字节为间隔保存引用。

在实现上，堆中的引用其实还是按照0x0、0x1、0x2…进行存储。只不过当引用被存入64位的寄存器时，JVM将其左移3位（相当于末尾添加3个0），例如0x0、0x1、0x2…分别被转换为0x0、0x8、0x10。而当从寄存器读出时，JVM又可以右移3位，丢弃末尾的0。（oop在堆中是32位，在寄存器中是35位，2的35次方=32G。也就是说，使用32位，来达到35位oop所能引用的堆内存空间）

JVM内存关键大小

  • 当堆内存小于4G时，不需要启用指针压缩，jvm会直接去除高32位地址
  • 当堆内存大于32G时，压缩指针会失效，会强制使用64位(即8字节)来对java对象寻址， 那这样的话内存占用较大，会增加GC压力等等

参考文章
https://www.cnblogs.com/xiaomaomao/p/17350075.html
https://blog.51cto.com/u_87851/6326662
https://artisan.blog.csdn.net/article/details/106958768
https://blog.csdn.net/lioncatch/article/details/105919666

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这里写自定义目录标题 下面是一段用例的描述&#xff0c;针对一个汽车保险系统中“将一辆新车加入一个已有保单中”的用例。请你为其设计&#xff1a; (1) 领域模型&#xff08;要求给出建立过程&#xff09;(20分)&#xff1b; (2) 活动图 (14分)&#xff1b; (3) 顺序图 (14分…
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linux内核open文件流程

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打开文件流程 本文基本Linux5.15 当应用层通过open api打开一个文件&#xff0c;内核中究竟如何处理&#xff1f; 本身用来描述内核中对应open 系统调用的处理流程。 数据结构 fdtable 一个进程可以打开很多文件&#xff0c; 内核用fdtable来管理这些文件。 include/linu…
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