JVM怎么保存Java对象

本文主要讲解一下在 JVM 中如何保存 Java 对象以及 Java 对象指针压缩相关的东西

JVM 体系结构

        JVM 规范中定义的体系结构（这个只是定义的规范，实际的 JVM 实现中可能与这个结构会有差异）

        堆和方法区是所有类共享的，其中堆主要存储对象实体，方法区存储的信息比较多，主要包括下面几类：

类的基本类型信息

• 类型的全限定名

• 直接超类的全限定名（除了 Object）

• 是类还是接口

• 访问修饰符

该类的常量池

• 虚拟机会为每个转载的类型维护一个常量池

字段信息

• 字段名称

• 字段类型

• 字段修饰符（public，private，protected，static，final，volatile，transient）

方法信息

• 方法名

• 方法的返回值类型或者void

• 方法的参数数量和类型（按照声明顺序）

• 方法的修饰符（public，private，protected，static，final，synchronized，natvie，abstract）

• 如果不是abstract和native方法，还会保存下面的信息

• 方法的字节码

• 操作数栈和局部变量区的大小

• 异常表

类（静态）变量

• 静态常量和非静态常量的处理方式不同，每个类都会把用到的其他类的静态常量拷贝到自己的常量池中。

指向 ClassLoader 类的引用

• 指向 Class 类的引用，对于每个被装载的类型，JVM 都会为其创建一个 java.lang.Classs 类的实例（该实例存在heap中），并且JVM 会以某种方式将该实例和方法区中对应的类型关联起来。

对象如何保存

        我们知道一个Java对象包含两部分内容，字段和方法，每个对象的字段值都可能不同，但是所用的方法都是一样的，如果每个对象都保存一套方法定义，显然会浪费很多的空间。所以方法定义相关的都放到了方法区，对象只保存自己的实例数据和指向方法定义的指针。下图是对象保存的一种方式，也是 Hotspot 虚拟机采用的方式，对象在堆中只保存实例的数据，同时会有一个指针指向方法区中的一个方法表（和 c++ 中的Virtual method table 类似）。

        方法表保存两个部分：指向类数据的指针和执行各个方法的指针。这里将类数据和方法分开存储，是为了更加快速的找到方法。每个类都会对应一个方法表，这种实现方式会稍微浪费一些内存，但是会获得更好的性能。

        我们知道对象是有继承关系的，如果子类没有覆写父类的方法，那么子类会指向父类的中的方法。

HotSpot 内存结构

        上面主要是 Java 虚拟机规范中定义的规范，每种虚拟机实现的方式可能不太相同，这里我们主要看下 HotSpot 虚拟机的实现，后面的内容都是基于 HotSpot 虚拟机。 在 Java8 中，HotSpot VM 移除了永生代（PermGen），添加了元数据空间（Metaspace），元空间不使用虚拟机内存，而是使用本地内存。元空间主要和方法区对应，存储类的元数据和常量池（String常量的实例存在堆中）等信息。

Ordinary Object Pointer (OOP)

        在 JVM 中 Java 对象使用 OOP（Ordinary Object Pointer） 来表示。

 OOP 主要包含两个部分：对象头和实例数据。对象头主要包含四个部分：

• Mark Word - 会存储对象的多种标记信息，例如哈希值、GC标记、锁等信息

• Klass Word - 主要指向类的元数据

• 32-bit length word - 只有数组对象才有，记录数组的长度

• 32-bit gap - Java 是 8 字节对齐的，该字段主要用做对齐填充用

        对象头后面就是实例数据，可能是基本数据，也可能是指向其他对象的引用。如果实例数据的大小不是 8 的倍数，那么也会插入一些填充的数据来对齐。

        对于继承的情况，会先存放父类的实例数据，然后再存放子类的实例数据

        Mark word、Klass word 以及对象的引用大小和 JVM 位数相关，32位 JVM 是 4 字节大小，64 位 JVM 是 8 字节大小。对于引用来说，4字节来寻址的话的最多可以表示 232，也就是做大只能支持 4GB 的内存，一般来说4GB 的内存是不大够用的，所以我们常用的是 64 位的 JVM，但是使用 64 位 JVM 带来的一个问题就是引用从 4 个字节变成了 8 个字节，也就是会多占一倍的空间，这样会导致更加频繁的 GC 周期，导致性能变差。

Compressed OOPs

        我们使用压缩的 OOP 来实现在64位的 JVM 上使用32位大小的引用来寻址，这个方式主要是基于 Java 对象是 8 字节对齐，即后三位全部为 0，也就是在当前的对象引用中后三位实际上是没有用到的。基于上面的逻辑，我们就可以做一下优化，将当前32位值的表示为第 4-35 位的值，也就是实际的值相当于左移了三位，如下图所示。这样我们就有35位来寻址，内存最大就可以支持到 32GB。

开启了压缩之后，堆中 OOP 里的下列字段会被压缩：

• 每个对象的 Kclass 字段（Mark不会压缩）

• 指向其他 OOP 的引用

• OOP 数组中的每个元素

        下面是 Integer 对象在不同情况下占的内存大小，因为 Java 是 8 字节对齐，所以在64位 VM 上未开启压缩时，Integer 还要加上一个 32bit 填充，即总的大小是 192 bit。

        我们可以在启动 Java 程序时使用 -XX:+UseCompressedOops 来开启压缩，Java7之后，如果最大内存小于32G，会自动开启 OOP 压缩。如果想在超过 32G 内存的情况下使用压缩，可以通过指定Java 对象对齐的字节数来实现 -XX:ObjectAlignmentInBytes，该值必须在 8 到 256 之间，并且是 2 的指数倍。假设指定为 16，那么就可以使用 64G 的内存，但是由于对齐造成的内存浪费也会更多。

        另外在 Java11 中添加的 ZGC 垃圾回收器必须使用 64 位的指针，所以它不支持压缩的OOP。

        下面还为大家做了一些笔记整理！在初学Java的时候，会遇到很多不懂的问题，在此做一些整理。

JRE和JDK的区别

JRE(Java Runtime Environment):java的运行环境,包括jvm+java的核心类库。

JDK(Java Development Kit):java的开发工具,包括jre+开发工具。

环境变量PATH和classpath的作用

path是配置Windows可执行文件的搜索路径，即扩展名为.exe的程序文件所在的目录，用于指定DOS窗口命令的路径。

Classpath是配置class文件所在的目录，用于指定类搜索路径，JVM就是通过它来寻找该类的class类文件的。

变量的作用是储存变量。为什么要定义变量：用来不断的存放同一类型的常量，并可以重复使用。

标示符命名规则

由数字、大小写英文字母、以及_和$组成（不能以数字开头，不能使用关键字来自定义命名）

数据类型

整数类型：byte、short、int、long

浮点数类型：float、double

字符类型：char

布尔类型：ture false

类和对象

类：对现实世界中某类事物的描述，是抽象的。

对象：事物具体存在的个体。

static关键字

静态的意思，用来修饰成员变量和 成员函数

静态的特点：随着类的加载而加载，优先于对象存在，对所有对象共享，可以对类名直接调用。

public static void main(String[] args)：

public:公共的意思，是最大权限修饰符。

static:由于jvm调用main方法的时候，没有创建对象。只能通过类名调用。所以，main必须用static修饰。

void:由于main方法是被jvm调用，不需要返回值。用void修饰。

main:main是主要的意思，所以jvm采用了这个名字。是程序的入口。

String[]:字符串数组。

args:数组名。

注释

单行注释： //注释内容

多行注释： /*注释内容*/

文档注释： /**注释内容*/

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