【java逆向】3分钟理清Java对象头里面的那些杂事

原创 龙虾编程

对象头是一个对象用于保存自身状态的区域，在HotSpot虚拟机中，对象在堆内存中存储的布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）、对齐填充（Padding），如下如所示：

在Java中普通对象和数组对象的对象在布局上存在一定的差异，数组对象相比普通对象多了数组长度部分，如下图所示：

1、对象头

HotSpot虚拟机对象的对象头部分可以分成mark word和类型指针两类信息，如下如所示：

（1）Mark Word：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、GC分代年龄、锁状态标志等等一些信息。为了实现在极小的空间内存储尽量多的数据，Mark Word被设计成动态定义的数据结构，它可以根据对象的状态复用自己的存储空间（也就是说在运行期间Mark Word存储的数据会随着标志位的变化而变化）。如下是32位的HotSpot虚拟机中Mark Word的详细信息：

从上图可以知道一个常见的面试题目答案，为什么GC的分代年龄最大是15次了，因为分代年龄占用4位，我们知道4位二进制的可以表达的最大十位数是15。

（2）Class Pointer：指向它的类型元数据的指针，JVM通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。如下图所示：

（3）数组长度：如果对象是一个数组对象，那在对象头中有一块用于记录数组长度的区域，因为虚拟机可以通过普通对象的元数据信息确定对象的大小，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。

2、实例数据

实例数据是对象真正存储的有效信息，它记录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会存储到这块区域。
如下代码：

public class School {
  private int id;
  private String name;
  .....
}

实例数据部分会存储id、name的数据，如下图所示：

实例数据部分可以没有，如果一个类中没有属性也是存在的，如下所示的代码：

public class School {
 
}

此时Java对象的布局如下图所示：

所以，任何对象必须都有对象头，但是可以没有实例数据，好比火车必须要有火车头可以没有火车的车厢一样。

3、对齐填充

在Java中每8个字节做一个计数的单元，假设new了一个对象，对象占用了11个字节，11 > 8 但是又不是8的整数倍，此时这个对齐填充就会让对象变成8的整数倍，这里对齐填充补充5字节（也就是11 + 5 = （2*8） = 16）。

4、jvm中的对象的布局

public class Student{
  private int age;
  private String name;
  ......
}

public class School {
  private int id;
  private String name;
  private Student student;
  ......
}

public class TestObject{
  public static void main(String[] args){
      School school = new School(1, "龙虾编程", new Student());
  }
}

每当我们创建School对象的时候，在Java的堆中开辟内存存放对象，在栈上存放栈帧的信息，如下所示是Java对象在jvm中的布局信息：

栈帧上的局部变量表中的school指向堆空间的上的实例，对象头中的类型指针（class pointor）指向方法区的School类元信息，School中的属性数据存在到实例数据这块区域上（如果属性是对象，那么会使用指针指向其对象上）。

5、输出Java对象信息

（1）添加pom

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

（2）输出对象信息

public static void main(String[] args) {
    Object o = new Object();
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());
}

输出结果：

java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
      8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

这个结果中输出了Object对象的对象头、类型指针和对齐填充的信息，如下是对各个部分的解释图：

上面可以看出对象头是8字节，类型指针是4个字节，为什么类型指针是4字节呢？
这是因为Java中开启了指针压缩导致的。
由于对象头中mark word8字节 + 类型指针4字节 = 12字节，所以对齐填充位会自动补齐4字节，这样new Object()默认的大小是16字节。

总结：

（1）Java的对象是由对象头（mark word + class pointor + 数组长度【数组对象特有】）、实例数据和对齐填充组成的。

（2）对象必须要对象头，可以没有实例数据部分。

（3）mark word中存储了哈希码、GC信息、锁信息等等。类型指针指向方法取得类元信息上。