如果想要深入的学习 synchronized 关键字，必须提前掌握的一部分知识就是 Java 对象内存布局。通过这篇文章一起探索 Java 对象在虚拟机中是如何保存的。

在正式学习后续内容之前，先约定如下：

• Java 对象：本篇中所说的 Java 对象是指普通 Java 对象，不包括数值对象、Class 对象
• 虚拟机：除了特别说明以外，虚拟机均指 HotSpot 虚拟机

Java 对象内存布局

在 HotSpot 虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

Header

Java 对象头包括两个部分：Mark Word 和 Class Pointer，对于数组对象对象头还包括数组长度（Length），下面具体看一下每个部分：

1 Mark Word

用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、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，这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为 32 个比特和 64 个比特。

对象需要存储的运行时数据很多，其实已经超出了 32、64 位 Bitmap 结构所能记录的最大限度，但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word 被设计成一个有着动态定义的数据结构，以便在极小的空间内存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间。

Mark Word 在不同状态时存储的数据如下所示（32 和 64 位虚拟机）：

在某一时刻 Mark Word 只会处于上图中某一个锁状态，根据当前对象 synchronized 锁升级的不同锁状态，Mark Word 保存的数据会不同，这就为什么说 Mark Word 是动态定义的数据结构。具体 synchronized 章节讲解。

2 Class Pointer

这部分是一个类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java 虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

并不是所有的虚拟机实现对象头都具有类型指针，这和对象的访问定位方式有关，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

• 使用句柄的方式：Java 堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息
• 直接指针的方式：Java 堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference 中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问 的开销（HotSpot 虚拟机采用该方式，所以对象头中有类型指针用于存放对象结构的引用）

3 Length

如果对象是一个 Java 数组，那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通 Java 对象的元数据信息确定 Java 对象的大小，但是如果数组的长度是不确定的，将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。

这就解释了为什么 Java 数组一旦初始化了数组长度，就不能修改

Instance Data

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle参数）和字段在 Java 源码中定义顺序的影响。 HotSpot 虚拟机默认的分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs），从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果 HotSpot 虚拟机的 +XX：CompactFields 参数值为 true（默认就为 true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。

Padding

对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于 HotSpot 虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍，换句话说就是任何对象的大小都必须是 8 字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是 8 字节的倍数（1 倍或者 2 倍），因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

JOL 工具

JOL 的全称是 Java Object Layout。是一个用来分析 JVM 中对象内存布局的小工具。包括对象在内存中的占用情况，实例对象的引用情况等等。

使用 JOL 需要在 Maven 项目中引入依赖：

    org.openjdk.jol
    jol-core
    0.16

JOL 高版本依赖和低版本输出对象内存布局时略有不同，但是高版本对对象布局描述更加直观。

测试没有任何字段的类的代码如下：

public class JolTest {
    public static void main(String[] args) {
        Console.log("===================== VM DESC =====================");
        Console.log(VM.current().details());

        Console.log("===================== Java Object Layout =====================");
        Console.log(ClassLayout.parseInstance(new Object()).toPrintable());
    }
}

输出结果：

通过上面的输出结果可以获取如下信息：

1、VM DESC

• Running 64-bit HotSpot VM：运行的虚拟机是 64 位 HotSpot 虚拟机
• Objects are 8 bytes aligned：对象是基于 8 byte 对齐
• Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes] 和 Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]：描述了对象字段和数组元素各种数据类型占用的内存大小，依次是：4 - 引用数据类型占用 4 byte（因默认开启压缩指针）；1 - boolean 占用 1 byte；1 - byte 占用 1 byte；2 - short 占用 2 byte；2 - char 占用 2 byte；4 - int 占用 4 byte；4 - float 占用 4 byte；8 - long 占用 8 byte；8 - double 占用 8 byte

2、Java Object Layout

• 0 8 (object header: mark) 0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)：对象的 Mark Word 占用了 8 byte（64 bit），此时存储的数据为：0x0000000000000001，即无锁状态
• 8 4 (object header: class) 0xf80001e5：对象的 Class Pointer 占用了 4 byte（32 bit），因为开启了压缩指针，引用数据类型占用 4 byte
• 12 4 (object alignment gap)：对象的 Padding 占用了 4 byte，因为 Mark Word + Class Pointer = 12 byte，不是 8 byte 的整数，所以需要 4 byte 的对齐填充
• Instance size: 16 bytes：当前对象占用的内存大小，当前对象没有实例数据，也就是一个对象最小占用内存大小为 16 byte（64 位虚拟机）

压缩指针默认是开启（-XX:+UseCompressedOops）的，当我们关闭压缩指针（-XX:-UseCompressedOops），重新执行测试程序输入如下：

1、VM DESC

• Field sizes by type: 8, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes] 和 Array element sizes: 8, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]：关闭压缩指针后只有引用数据类型占用内存由 4 byte 变为 8 byte，其余基本数据类型占用内存不变

2、Java Object Layout

• 0 8 (object header: mark) 0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)：较关闭压缩指针之前无变化
• 8 8 (object header: class) 0x0000019fd2471c00：Class Pointer 由之前占用 4 byte 变为占用 8 byte，由于此时 Mark Word + Class Pointer = 16 byte，是 8 byte 整数倍，所以不需要对齐填充

测试具有字段的类的代码如下：（开启压缩指针）

public class JolTest {
    public static void main(String[] args) {
        Console.log(ClassLayout.parseInstance(new Demo()).toPrintable());
    }

    public static class Demo {
        private String referenceField;
        private boolean booleanField;
        private byte byteField;
        private short shortField;
        private char charField;
        private int intField;
        private float floatField;
        private long longField;
        private double doubleField;
    }
}

输出结果如下：