重学Java-一个Java对象到底占多少内存

内容导读

互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了重学Java-一个Java对象到底占多少内存，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含17087字，纯文字阅读大概需要25分钟。

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文章标题提出的问题是“一个对象到底占多少内存”，看似很简单，但想说清楚并不容易，希望本文的探讨能让你有收获。

在开始之前我还是决定先提一个曾经阴魂不散，困扰我很久的问题，了解这个问题的答案有助于我们理解接下来的内容。

Java虚拟机如何在运行时知道每一块内存存储数据的类型的？

• 我们知道Java中int占4个字节，short占2个字节，引用类型在64位机器上占4个字节（不开启指针压缩是8个字节，指针压缩是默认开启的），那JVM如何在运行时知道某一块内存存的值的类型是int还是short或者其他基础类型，亦或者是引用的地址？比如以int为例，4个字节只够存储int数据本身，并没有多余的空间存储数据的类型！

想解答这个问题，需要从字节码入手，还需要我们了解一些Java虚拟机规范的知识， 来看一个简单的例子

public class Apple extends Fruit{
    private int color;
    private String name;
    private Apple brother;
    private long create_time;

    public void test() {
        int color = this.color;
        String name = this.name;
        Apple brother = this.brother;
        long create_time = this.create_time;
    }
}

很简单的一个Apple类，继承于Fruit，有一个test方法，将类成员变量赋值给方法本地变量，还是老套路，javac，javap 查看字节码

javac Fruit.java Apple.java
javap -verbose Apple.class

// 输出Apple字节码
public class com.company.alloc.Apple extends com.company.alloc.Fruit
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #9.#25         // com/company/alloc/Fruit."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #8.#26         // com/company/alloc/Apple.color:I
   #3 = Fieldref           #8.#27         // com/company/alloc/Apple.name:Ljava/lang/String;
   #4 = Fieldref           #8.#28         // com/company/alloc/Apple.brother:Lcom/company/alloc/Apple;
   #5 = Fieldref           #8.#29         // com/company/alloc/Apple.create_time:J
   // 省略......
{
 // 省略......
  public void test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=4, locals=6, args_size=1
         0: aload_0
         1: getfield      #2                  // Field color:I
         4: iconst_1
         5: iadd
         6: istore_1
         7: aload_0
         8: getfield      #3                  // Field name:Ljava/lang/String;
        11: astore_2
        12: aload_0
        13: getfield      #4                  // Field brother:Lcom/company/alloc/Apple;
        16: astore_3
        17: aload_0
        18: getfield      #5                  // Field create_time:J
        21: ldc2_w        #6                  // long 3l
        24: lsub
        25: lstore        4
        27: return
        // 省略......
}

我们重点看Apple类的test方法，我已经添加了注释

         // 加载Apple对象本身到栈
         0: aload_0
         // 获取字段，#2 对应常量池中的序列，
         // #2 = Fieldref           #8.#26         // com/company/alloc/Apple.color:I
         // 存储的类型是int类型
         1: getfield      #2                  // Field color:I
         // 加载1这个常量进栈
         4: iconst_1
         // 执行加法
         5: iadd
         // 将栈顶的值存到本地变量表1的位置
         6: istore_1
         // 加载Apple对象本身到栈
         7: aload_0
         // 获取字段，#3 对应常量池中的序列，
         8: getfield      #3                  // Field name:Ljava/lang/String;
         // 将栈顶的值存到本地变量表2的位置
        11: astore_2
         // .......

可以看到对于对象的成员变量，会存在一个常量池，保存该对象所属类的所有字段的索引表，根据这个常量池可以查询到变量的类型，而字节码指令对于操作各种类型都有专门的指令，比如存储int是istore，存储对象是astore，存储long是lstore，所以指令是编译期已经确定了，虚拟机只需要根据指令执行就行，根本不关心它操作的这个地址是什么类型的，所以也就不用额外的字段去存类型了，解答我们前面提的问题！

我们开始步入正题，要说内存分配，首先就要了解我们分配的对象，那Java中分配的对象有哪些类型呢？

Java数据类型有哪些

在Java中数据类型分为二大类。

• 基础数据类型（primitive type）
• 引用类型 (reference type)

基础数据类型

Java中基础数据类型有8种，分别是byte（1）, short（2）, int（4）, long（8）, float（4）, double（8）, char（2）, boolean（1）, 括号里面是它们占用的字节数，所以对于基础数据类型，它们所占用的内存是很确定的，也就没什么好说的， 简单的记忆一下每种类型存储所需的字节数即可。

Java中基础数据类型是在栈上分配还是在堆上分配？ 我们继续深究一下，基本数据类占用内存大小是固定的，那具体是在哪分配的呢，是在堆还是栈还是方法区？大家不妨想想看！ 要解答这个问题，首先要看这个数据类型在哪里定义的，有以下三种情况。

• 如果在方法体内定义的，这时候就是在栈上分配的
• 如果是类的成员变量，这时候就是在堆上分配的
• 如果是类的静态成员变量，在方法区上分配的

引用类型

引用类型跟基础数据类型不一样，除了对象本身之外，还存在一个指向它的引用（指针），指针占用的内存在64位虚拟机上8个字节，如果开启指针压缩是4个字节，默认是开启了的。 为了方便说明，还是以代码为例

class Kata {
  // str1和它指向的对象 都在堆上
  String str1 = new String();
  // str2和它指向的对象都在方法区上
  static String str2 = new String();
  
  public void methodTest() {
     // str3 在栈上，它指向的对象在堆上（也有可能在栈上，后面会说明）
     String str3 = new String();
  }
}

Java对象到底占多大内存？

指针的长度是固定的，不去说它了，重点看它所指向的对象在内存中占多少内存。 Java对象有三大类

• 类对象
• 数组对象
• 接口对象

Java虚拟机规范定义了对象类型在内存中的存储规范，由于现在基本都是64位的虚拟机，所以后面的讨论都是基于64位虚拟机。 首先记住公式，对象由 对象头 + 实例数据 + padding填充字节组成，虚拟机规范要求对象所占内存必须是8的倍数，padding就是干这个的

对象头

而Java中对象头由 Markword + 类指针kclass（该指针指向该类型在方法区的元类型） 组成。

Markword

Hotspot虚拟机文档 “oops/oop.hp”有对Markword字段的定义

  64 bits:
  --------
  unused:25 hash:31 -->| unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
  JavaThread*:54 epoch:2 unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
  PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
  size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)

这里简单解释下这几种object

• normal object，初始new出来的对象都是这种状态
• biased object，当某个对象被作为同步锁对象时，会有一个偏向锁，其实就是存储了持有该同步锁的线程id，关于偏向锁的知识这里就不再赘述了，大家可以自行查阅相关资料。
• CMS promoted object 和 CMS free block 我也不清楚到底是啥，但是看名字似乎跟CMS 垃圾回收器有关，这里我们也可以暂时忽略它们

我们主要关注normal object， 这种类型的Object的 Markword 一共是8个字节（64位），其中25位暂时没有使用，31位存储对象的hash值（注意这里存储的hash值对根据对象地址算出来的hash值，不是重写hashcode方法里面的返回值），中间有1位没有使用，还有4位存储对象的age（分代回收中对象的年龄，超过15晋升入老年代），最后三位表示偏向锁标识和锁标识，主要就是用来区分对象的锁状态（未锁定，偏向锁，轻量级锁，重量级锁）

// 无其他线程竞争的情况下，由normal object变为biased object
synchronized(object)

biased object的对象头Markword前54位来存储持有该锁的线程id，这样就没有空间存储hashcode了，所以 对于没有重写hashcode的对象，如果hashcode被计算过并存储在对象头中，则该对象作为同步锁时，不会进入偏向锁状态，因为已经没地方存偏向thread id了，所以我们在选择同步锁对象时，最好重写该对象的hashcode方法，使偏向锁能够生效。

kclass

kclass存储的是该对象所属的类在方法区的地址，所以是一个指针，默认Jvm对指针进行了压缩，用4个字节存储，如果不压缩就是8个字节。 关于Compressed Oops的知识，大家可以自行查阅相关资料来加深理解。 Java虚拟机规范要求对象所占空间的大小必须是8字节的倍数，之所以有这个规定是为了提高分配内存的效率，我们通过实例来做说明

class Fruit extends Object {
     private int size;
}

Object object = new Object();
Fruit fruit = new Fruit();

有一个Fruit类继承了Object类，我们分别新建一个object和fruit，那他们分别占用多大的内存呢？

• 先来看object对象，通过上面的知识，它的Markword是8个字节，kclass是4个字节， 加起来是12个字节，加上4个字节的对齐填充，所以它占用的空间是16个字节。
• 再来看fruit对象，同样的，它的Markword是8个字节，kclass是4个字节，但是它还有个size成员变量，int类型占4个字节，加起来刚好是16个字节，所以不需要对齐填充。

那该如何验证我们的结论呢？毕竟我们还是相信眼见为实！很幸运Jdk提供了一个工具jol-core可以让我们来分析对象头占用内存信息。 jol的使用也很简单

有一个Fruit类继承了Object类，我们分别新建一个object和fruit，那他们分别占用多大的内存呢？

先来看object对象，通过上面的知识，它的Markword是8个字节，kclass是4个字节， 加起来是12个字节，加上4个字节的对齐填充，所以它占用的空间是16个字节。
再来看fruit对象，同样的，它的Markword是8个字节，kclass是4个字节，但是它还有个size成员变量，int类型占4个字节，加起来刚好是16个字节，所以不需要对齐填充。

那该如何验证我们的结论呢？毕竟我们还是相信眼见为实！很幸运Jdk提供了一个工具jol-core可以让我们来分析对象头占用内存信息。
jol的使用也很简单

作者：三好码农
链接：https://juejin.cn/post/6844903873346453518
来源：掘金
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

可以看到输出结果都是16 bytes，跟我们前面的分析结果一致。 除了类类型和接口类型的对象，Java中还有数组类型的对象，数组类型的对象除了上面表述的字段外，还有4个字节存储数组的长度（所以数组的最大长度是Integer.MAX）。所以一个数组对象占用的内存是 8 + 4 + 4 = 16个字节，当然这里不包括数组内成员的内存。 我们也运行验证一下。

String[] strArray = new String[0];
System.out.println(ClassLayout.parseClass(strArray.getClass()).toPrintable());

// 输出结果
[Ljava.lang.String; object internals:
 OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0    16                    (object header)                           N/A
     16     0   java.lang.String String;.<elements>                        N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

输出结果object header的长度也是16，跟我们分析的一致。到这里对象头部分的内存分配我们就了解的差不多了，接下来看对象的实例数据部分。

对象的实例数据(成员变量)的分配规则

为了方便说明，我们新建一个Apple类继承上面的Fruit类

public class Apple extends Fruit{
    private int size;
    private String name;
    private Apple brother;
    private long create_time;
}

// 打印Apple的对象分布信息
System.out.println(ClassLayout.parseClass(Apple.class).toPrintable());

// 输出结果
com.aliosuwang.jol.Apple object internals:
 OFFSET  SIZE                       TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0    12                           (object header)                           N/A
     12     4                       int Fruit.size                                N/A
     16     8                      long Apple.create_time                         N/A
     24     4                       int Apple.size                                N/A
     28     4          java.lang.String Apple.name                                N/A
     32     4   com.company.alloc.Apple Apple.brother                             N/A
     36     4                            (loss due to the next object alignment)
Instance size: 40 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

可以看到Apple的对象头12个字节，然后分别是从Fruit类继承来的size属性（虽然Fruit的size是private的，还是会被继承，与Apple自身的size共存），还有自己定义的4个属性，基础数据类型直接分配，对象类型都是存的指针占4个字节（默认都是开启了指针压缩），最终是40个字节，所以我们new一个Apple对象，直接就会占用堆栈中40个字节的内存，清楚对象的内存分配，让我们在写代码时心中有数，应当时刻有内存优化的意识！ 这里又引出了一个小知识点，上面其实已经标注出来了。

父类的私有成员变量是否会被子类继承？

答案当然是肯定的，我们上面分析的Apple类，父类Fruit有一个private类型的size成员变量，Apple自身也有一个size成员变量，它们能够共存。注意划重点了，类的成员变量的私有访问控制符private，只是编译器层面的限制，在实际内存中不论是私有的，还是公开的，都按规则存放在一起，对虚拟机来说并没有什么分别！

方法内部new的对象是在堆上还是栈上？

我们常规的认识是对象的分配是在堆上，栈上会有个引用指向该对象（即存储它的地址），到底是不是呢，我们来做个试验！ 我们在循环内创建一亿个Apple对象，并记录循环的执行时间，前面已经算过1个Apple对象占用40个字节，总共需要4GB的空间。

public static void main(String[] args) {
     long startTime = System.currentTimeMillis();
     for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
         newApple();
     }
     System.out.println("take time:" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
}

public static void newApple() {
     new Apple();
}

我们给JVM添加上-XX:+PrintGC运行配置，让编译器执行过程中输出GC的log日志

// 运行结果，没有输出任何gc的日志
take time:6ms

1亿个对象，6ms就分配完成，而且没有任何GC，显然如果对象在堆上分配的话是不可能的，其实上面的实例代码，Apple对象全部都是在栈上分配的，这里要提出一个概念指针逃逸，newApple方法中新建的对象Apple并没有在外部被使用，所以它被优化为在栈上分配，我们知道方法执行完成后该栈帧就会被清空，所以也就不会有GC。 我们可以设置虚拟机的运行参数来测试一下。

// 虚拟机关闭指针逃逸分析
-XX:-DoEscapeAnalysis
// 虚拟机关闭标量替换
-XX:-EliminateAllocations

在VM options里面添加上面二个参数，再运行一次

[GC (Allocation Failure)  236984K->440K(459776K), 0.0003751 secs]
[GC (Allocation Failure)  284600K->440K(516608K), 0.0004272 secs]
[GC (Allocation Failure)  341432K->440K(585216K), 0.0004835 secs]
[GC (Allocation Failure)  410040K->440K(667136K), 0.0004655 secs]
[GC (Allocation Failure)  491960K->440K(645632K), 0.0003837 secs]
[GC (Allocation Failure)  470456K->440K(625152K), 0.0003598 secs]
take time:5347ms

可以看到有很多GC的日志，而且运行的时间也比之前长了很多，因为这时候Apple对象的分配在堆上，而堆是所有线程共享的，所以分配的时候肯定有同步机制，而且触发了大量的gc，所以效率低很多。 总结一下: 虚拟机指针逃逸分析是默认开启的，对象不会逃逸的时候优先在栈上分配，否则在堆上分配。 到这里，关于“一个对象占多少内存？”这个问题，已经能回答的相当全面了。但是毕竟我们分析的只是Hotspot虚拟机，我们不妨延伸一下，看在Android ART虚拟机上面的分配情况

获取Android ART虚拟机上面的对象头大小

我们前面使用了jol工具来输出对象头的信息，但是这个jol工具只能用在hotspot虚拟机上，那我们如何在Android上面获取对象头大小呢？

方法的灵感来源

办法肯定是有的，我这里介绍的办法，灵感的主角就是AtomicInteger，我是受到它的启发，这个类我们知道是线程安全的int的包装类。它的实现原理是利用了Unsafe包提供的CAS能力，不妨看下它的源码实现

    private static final sun.misc.Unsafe U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE;

    static {
        try {
            VALUE = U.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (ReflectiveOperationException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    private volatile int value;

    /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
    }

我们知道普通int对象的++操作不是原子性的，AtomicInteger提供了getAndIncrement()它却能保证原子性，这一部分知识不是我们这篇要讲的知识点，就不去说它们了。 getAndIncrement()方法内部调用了Unsafe对象的getAndAddInt()方法，第二个参数是VALUE，这个VALUE大有玄机，它表示成员变量在对象内存中的偏移地址，根据前面的知识，普通对象的结构 就是 对象头+实例数据+对齐字节,那如果我们能获取到第一个实例数据的偏移地址，其实就是获得了对象头的字节大小。

如何拿到并使用Unsafe

因为Unsafe是不可见的类，而且它在初始化的时候有检查当前类的加载器，如果不是系统加载器会报错。但是好消息是，AtomicInteger中定义了一个Unsafe对象，而且是静态的，我们可以直接通过反射来得到。

    public static Object getUnsafeObject() {
        Class clazz = AtomicInteger.class;
        try {
            Field uFiled = clazz.getDeclaredField("U");
            uFiled.setAccessible(true);
            return uFiled.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

拿到了Unsafe，我们就可以通过调用它的objectFieldOffset静态方法来获取成员变量的内存偏移地址。

    public static long getVariableOffset(Object target, String variableName) {
        Object unsafeObject = getUnsafeObject();
        if (unsafeObject != null) {
            try {
                Method method = unsafeObject.getClass().getDeclaredMethod("objectFieldOffset", Field.class);
                method.setAccessible(true);
                Field targetFiled = target.getClass().getDeclaredField(variableName);
                return (long) method.invoke(unsafeObject, targetFiled);
            } catch (NoSuchMethodException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (IllegalAccessException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (InvocationTargetException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (NoSuchFieldException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return -1;
    }

    public static void printObjectOffsets(Object target) {
        Class targetClass = target.getClass();
        Field[] fields = targetClass.getDeclaredFields();
        for (Field field : fields) {
            String name = field.getName();
            Log.d("offset", name + " offset: " + getVariableOffset(target, name));
        }
    }

我们来使用上面的工具测试打印之前的Fruit和Apple，

        Log.d("offset", "------start print fruit offset!------");
        Utils.printObjectOffsets(new Fruit());

        Log.d("offset", "------start print apple offset!------");
        Utils.printObjectOffsets(new Apple());

        // 输出结果 （Android 8.0模拟器）
        offset: ------start print fruit offset!------
        offset: size offset: 8
        offset: ------start print apple offset!------
        offset: brother offset: 12
        offset: create_time offset: 24
        offset: id offset: 20
        offset: name offset: 16

通过输出结果，看出在 Android8.0 ART 虚拟机上，对象头的大小是8个字节，这跟hotspot虚拟机不同（hotspot是12个字节默认开启指针压缩），根据输出的结果目前只发现这一点差别，各种数据类型占用的字节数都是一样的，比如int占4个字节，指针4个字节，long8个字节等，都一样。

总结

全文我们总结了以下几个知识点

• Java虚拟机通过字节码指令来操作内存，所以可以说它并不关心数据类型，它只是按指令行事，不同类型的数据有不同的字节码指令。
• Java中基本数据类型和引用类型的内存分配知识，重点分析了引用类型的对象头，并介绍了JOL工具的使用
• 延伸到Android平台，介绍了一种获取Android中对象的对象头信息的方法，并对比了ART和Hotspot虚拟机对象头长度的差别。

了解这些并不是为了装逼炫技，说实话，写代码做工程的没什么好装的，用的都是别人的轮子，我只会感谢我知道这些还不算太晚，所以我把它们写出来分享给大家。

最后还是那句话：只有充分的了解Java的内存分配机制，才能正确的去做内存优化！！

学了这么多年的Java开发，这里的话我也将我之前在学习过程中用到的一些学习资料整理成了文档，以及我自身之前的一个面试文案和知识点补充，有需要的朋友可以加我的QQ学习交流裙   735721532 ，这里也祝愿大家最终都能够学有所成，早日找到满意的工作！

内容总结

以上是互联网集市为您收集整理的重学Java-一个Java对象到底占多少内存全部内容，希望文章能够帮你解决重学Java-一个Java对象到底占多少内存所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。

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