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使用面向对象语言，离不开的就是对象，现在回过头来思考一下，真的了解所使用语言的对象么？我自己有点心虚，对于Java的对象，我了解的尚且还不够深入，对于一些底层的东西，还有待进一步了解学习。这一篇博文，来讲讲Java对象的大小，学习如何计算Java对象的大小。如果你想深入Java 对象的内存设计，以及在做内存优化时，需要知道每个对象占用的内存的大小，所以这一点还是很重要的，需要好好理解。要计算Java对象占用内存的大小，首先需要了解Java对象在内存中的实际存储方式和存储格式。接下来，我们就来学习相关的知识。

思考以及预备知识

搞清楚存储在内存中的对象，它具体是如何存储的，存储时都需要存哪些信息，以及存这些信息的意义是什么。比如看下面这段代码，下面这两行代码当中的 list 对象是如何存储起来的？

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List list = new ArrayList;
list.add("hello, world!");

要学习对象是怎么存储在内存当中的，就要从很原始的地方说起，先学习 JVM 的内存结构，这篇文章不讲很具体的JVM内存结构的知识，我这边只是提一下稍后需要用到的一些知识点。JVM 在运行 Java 程序时，会管理一块内存区域，这一片区域被称为运行时数据区域，从结构上可以分为五个部分，分别是：

  • Java 虚拟机栈：线程私有，存储局部变量等
  • 本地方法栈：线程私有，存储本地方法的变量等
  • 程序计数器：线程私有，存储字节码的地址（程序执行到第几行了）
  • 堆：线程共享，存储几乎所有对象
  • 方法区：线程共享，存储类的结构信息（字段、构造方法等等）

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我们今天要说的，只是栈和堆（栈指的是 Java 虚拟机栈）。非常浅薄地讲，栈存放的是局部变量以及对象的地址，堆存放的是对象的实体。（看书发现，栈中存放的并不一定是对象地址，但这是最常见的寻找堆对象的方式）简单制作了一张图，描述了代码、栈、堆之间的关系。
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这里要注意一点的是，内存结构和内存模型并不是一个概念：当我们说内存结构时，通常是指JVM 内存结构，这是真实存在的，指的是上文介绍的 Java 虚拟机栈、堆、本地方法栈等等那五部分构成的 JVM 运行时数据区域，这是在结构上把 JVM 的内存分成了多个部分。

当我们说内存模型时，通常是指Java 内存模型，这是虚拟存在的，指的是面对并发时 Java 是如何实现内存访问一致的，牵扯到了主内存和工作内存等知识，这是在模型和概念上，屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异，来实现并发内存一致性。

如何计算对象的大小

如何计算对象的大小。这个问题实际上可以拆成两个问题：

  • 对象由哪些部分组成？
  • 每部分各占多少字节？

在这两个问题的基础上，自然会问出第三个问题：

  • 组成对象的这些基础部分，各自是做什么的？

这里要多说一下的是，本篇文章提到的内容，实际上是 HotSpot 虚拟机的实现，而并非所有 Java 虚拟机的实现，但是目前基本上所有的 Java 程序都跑在 HostSpot 虚拟机上面。

所有对象都可以笼统地切分成两部分：对象头（Header）和对象内容（Instance Data）。举一个实际的例子：

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class Person {
    private String name;
    private int age;
}

对于上面这个 Person 类，它实例化出来的对象同样具有对象头和对象内容两部分，name 和 age 都是对象的内部变量，属于对象内容，而对象头是其余一些辅助信息。我绘制了一张图，画出了在最常见情况下（64 位虚拟机开启指针压缩），对象在内存中的结构，后文都是在解释这个结构的具体信息。
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对象内容

对象内容准确地讲应该叫做实例数据（Instance Data），比较简单，因此我们先讲完。正如之前提到的 Person 对象的例子，对象内的属性（包括基本数据类型 int age 和引用的另一个对象 String name），这些属性所占的内容大小，就是对象内容的大小。在该例子中，int 类型的 age 占 4 个字节（即 32 位），引用另一个对象时，存储的是对象的地址，地址是一个 int 类型的指针，因此 String 类型的 name 存储在 Person 对象中也占 4 个字节（即 32 位），两个属性加起来一共占 8 个字节。因此计算对象内容的大小，实际上就是分两部分，基本数据类型一类，占内容大小加起来，引用别的对象占一类，引用一个就是 4 字节（int 的大小），引用 N 个对象就占 N*4 个字节。下面列举了 8 种基本数据类型的大小。
| 基本数据类型 | 大小（字节） |
|–|–|
|byte |1|
|char| 2（表示一个 UTF-16be 编码单元，生僻字用两个char）|
|short| 2|
|int |4|
|float| 4|
|long| 8|
|double |8|
|boolean| 通常是1|

此外还要注意的一点是，如果 A 类继承自 B 类，那么计算 A 类的对象内容大小时，继承来的 B 类的属性也是要算在内的。比如计算 ArrayList 对象大小的时候，它的父类 AbstractList 中的属性，也是要计算在内的。

对象头

对象头（Header）比较复杂，它包含着对象的“冗余信息”，这些信息或实现并发锁，或帮助垃圾分类，或包含类的信息。从整体上看，对象头包含三部分的信息，分别是

  • 标记字段
  • 地址
  • 数组长度

标记字段

标记字段（Mark Word）是对象头中最复杂的内容，需要对照上面绘制的图来看。由于内存空间寸土寸金，在希望对象能够记录更多信息的同时，还要尽可能地压缩空间，在这种背景之下，32 位虚拟机的对象标记字段长 4 字节，64 位虚拟机的对象标记字段长 8 字节（现在基本都是 64 位了吧），并且都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。32 位和 64 位的存储长度不同，仅仅是因为地址指针长度引起的变化，在存储的内容类型方面没有区别。（具体的标记字段信息可见文末的备注）。以我当下的理解，标记字段主要实现了三个事情：

  • 对并发情况下的 synchronized 支持
  • GC 垃圾回收
  • 保存 hashcode

标记字段共有五种状态，分别是对应于 synchronized 的四种状态（无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁），以及一种 GC 状态，这五种状态通过 2 位标志位实现（无锁和偏向锁的标志位相同）。因此，了解标记字段的具体信息，实际上就是在了解 synchronized 锁和垃圾回收的原理。这两部分都有点难，本文暂时不讨论了。

地址信息

对象头中有一部分是地址信息，它实际上是一个类型指针，指向了该对象类型的地址。例如 person 对象的对象头中的地址信息，指向了 Person 类的地址（类在方法区）。在这种设计下，可以通过对象找到类，比如在 main() 方法中实例化一个 Person 对象 person，在内存中寻址的过程为：

  • main() 方法的 Java 栈中记录着 person 对象的地址；
  • 根据这个地址在堆中找到了 person 对象；
  • person 对象的头部又记录着 Person 类的地址，根据这个地址在方法区中找到了 Person 类；

（实际上，在对象的头部中保留类的地址信息，通过对象找到类的位置，这种设计是 HotSpot 虚拟机的设计，也有别的虚拟机不这么设计，对象头中并不包含类的地址，不通过对象找类。）地址信息的大小并不是固定的，这跟系统位数有关，32 位的虚拟机，指针是 32 位长，地址信息只需要 32 （即 4 字节），但是对于 64 位的虚拟机，指针是 64 位长，因此地址信息也需要扩增到 64 位（即 8 字节）。

32 位的虚拟机，理论上只能寻址到 4 GB 的内存空间（2^32 byte = 4 GB），而 64 位的虚拟机能寻址到更多地址。这样的提升是有代价的，一方面内存占用量变大了，原来只需要 4 个字节存储一个地址，现在需要 8 个字节了（如果不需要比 4GB 更多的内存，用这么大的空间是没有意义的），另一方面寻址时操作位数更长的指针，主内存和各级缓存移动数据时，占用的带宽也会增加。Java 虚拟机为了处理这个问题，提出了指针压缩。

指针压缩的简易原理是这样的：32 位的指针，当然只能找到 4 GB 个内存位置，如果我有一块更大的内存区域，比如 10 GB，32 位的指针就不能指向这 10 GB 中的所有位置，但实际上并不需要找到这块内存中的所有位置，它只需要找到要操作的开始位置就可以了。这意味着 32 位的指针可以引用 40 亿个对象，而不是 40 亿个字节。Java 对象的大小如果一定是 8 字节的整数倍（这个后文有讲），那么就可以使原来只能寻址 4 GB 的内存扩大 8 倍，到 32 GB 的内存。

因此对于分配内存低于 4 GB 的虚拟机，默认开启指针压缩，指针大小就是 32 位长，对于分配内存在 4 - 32 GB 之间的虚拟机，可以开启指针压缩算法，使指针大小依旧维持在 32 位长，但是对于更大的内存，无法开启指针压缩，指针大小必须是 64 位长。（因此分配内存并不是越大越好，32 GB 处会有一个门槛）指针压缩并非毫无缺陷，这毕竟是多出来的算法，会增加 JVM 的计算量。

总结：对象头中的地址信息大小，跟系统位数以及是否开启指针压缩有关，32 位系统、开启了指针压缩的 64 位系统的地址信息长 4 字节，普通 64 位系统的地址信息长 8 字节。

数组大小

数组大小并不是必须的，数组才有，非数组没有。因为数组是 new 出来的，需要在堆上分配内存，在这个意义上讲，数组就是对象的一种。数组的长度是需要记录下来的，长度为 4 字节。int 也是 4 字节，这就很容易让人联想在一起。Java 中 int 是有符号整型数，是有负值的，int 的最大值是 2^31 - 1，用二进制表示为 01111111111111111111111111111111。数组的理论最大长度，也应该是 int 的最大值。

实际的使用中可能会小一点。例如 ArrayList 内部维护的数组，它的最大长度是 Integer.MAX_VALUE - 8，注释称这是因为虚拟机的限制。又例如 HashMap 内部维护的数组，它的最大程度是 1 << 30，这是 1 位运算之后能获得到的最大值（二进制为 01000000000000000000000000000000）。

补充

在计算完对象头和对象内容的大小之后，二者加起来并不一定是最终占内存的大小，还要考虑内存对齐的问题。所有对象的字节大小，必须是 8 的整数倍，如果对象头+对象内容算出来是 15 字节，那么最终对象大小为 16 字节，如果是 20 字节，那么最终对象大小是 24 字节，总之如果不满 8 的整数倍，都填充到 8 的整数倍，填充的部分叫做对齐填充（Padding），实际上就是占位符。对齐填充的原因在于，HotSpot 虚拟机的自动内存管理系统，要求对象的起始地址必须是 8 字节的整数倍（这样寻址更高效，而且实现了指针压缩），因此对象的大小也就必须是 8 字节的整数倍。

三种情况（32 位虚拟机、64 位虚拟机、64 位虚拟机开启指针压缩）下，对象头的具体存储内容：

32 位虚拟机

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64 位虚拟机

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64 位虚拟机开启指针压缩

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举例计算对象大小

最后用一个例子检验上文中的内容，计算一个 HashMap 对象的大小。HashMap 类不是数组，在 64 位开启指针压缩的情况下，对象头只包括 8 字节的标记字段和 4 字节的地址指针，总共 12 字节。

HashMap 类中分别有下列属性：

  • entrySet （对象）
  • hashSeed （int）
  • loadFactor （float）
  • modCount （int）
  • size （int）
  • table （数组，当对象处理）
  • threshold （int）

检查 HashMap 的所有父类，在 AbstractMap 中发现了两个新的属性：

  • keySet （对象）
  • values （对象）

算下来一共是 9 个属性，每个属性很巧都是 4 字节，一共是 9×4 = 36 字节，因此 HashMap 的对象内容为 36 字节。HashMap 对象的对象头 12 字节 + 对象内容 36 字节总共是 48 字节，是 8 字节的倍数，无需对齐填充。因此一个 HashMap 对象的大小是 48 字节。