JVM指针压缩实现原理

   概要

   Java 中的指针压缩（Pointer Compression）是一个与内存管理相关的优化技术，主要应用于 JVM 的对象引用（即指针）的存储方式。指针压缩的目标是减少对象引用占用的内存空间，从而提高内存利用效率，特别是在 64 位系统上。

   一、对象的内存布局

   在了解指针压缩之前，需要先搞懂java的实例对象在JVM虚拟机中内存结构是什么样的。

   在Hotspot虚拟机中，对象在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）。

   1. 对象头（Header）
对象头，又包括三部分：MarkWord、元数据指针、数组长度。
下面图是64位系统下的对象头布局

MarkWord：用于存储对象运行时的数据，比如HashCode、锁状态标志、GC分代年龄等。这部分在64位操作系统下，占8字节（64bit），在32位操作系统下，占4字节（32bit）。
具体的作用可以参考我之前写的synchronized锁原理分析（一、从Java对象头看synchronized锁的状态）

指针：对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
这部分就涉及到一个指针压缩的概念，在开启指针压缩的情况下，占4字节（32bit），未开启情况下，占8字节（64bit），现在JVM在1.6之后，在64位操作系统下都是默认开启的。

数组长度：这部分只有是数组对象才有，如果是非数组对象，就没这部分了，这部分占4字节（32bit）。

2、实例数据（Instance Data）
用于存储对象中的各种类型的字段信息（包括从父类继承来的）。

3、对齐填充（Padding）
java对象的大小默认是按照8字节对齐，也就是说java对象的大小必须是8字节的倍数。如果算到最后不够8字节的话，那么就会进行对齐填充。
比如：对象头+对象体大小不是8字节的倍数，则通过该部分进行补齐，比如对象头+对象体大小只有30字节，则需要补齐到32字节，这里的对齐填充就是2字节。

二、指针压缩

1. 为什么要指针压缩

计算机操作系统分32位和64位，这里的位在计算机里是用0和1来表示的，用32个（或64个）二进制0和1的组合来表示内存地址。以32位为例，在普通的内存中，对象的大小最小是以1字节来计算的，通过0和1的排列组合，能够表示寻址的内存空间最大就是2^32个，换算成内存空间就是2 ^ 32 / 1024 / 1024 / 1024 = 4G，也就是说32位的操作系统最大能寻址的内存空间只有4G。同理，64位的操作系统最大能寻址的内存空间就更大了。

但是当我们准备将32位系统切换到64位系统，起初我们可能会期望系统性能会立马得到提升，但现实情况可能并不是这样的，为什么呢？

1）增加了GC开销
64位对象引用需要占用更多的堆空间，留给其他数据的空间将会减少，从而加快了GC的发生，更频繁的进行GC。

2）降低CPU缓存命中率

64位对象引用增大了，CPU能缓存的oop将会更少，从而降低了CPU缓存的效率。

既然32位系统内存不够，64位内存够但又影响性能，那有没有折中方案来解决这两个问题呢，于是聪明的JVM开发者想到了利用压缩指针，在64位的操作系统中利用32位的对象指针引用获得超过4G的内存寻址空间。

2. 如何压缩指针

在 JVM 中，对象的内存地址总是 8 字节对齐，即每个对象的地址都是 8 的倍数，这意味着其二进制表示的末尾 3 位始终为 0。指针压缩正是利用了这一特点，省略了这些无意义的 0 位：

压缩存储：使用 32 位来存储指针（而非 64 位），省去末尾的 3 个 0，从而节省空间。
地址还原：当 JVM 需要访问对象时，通过将这个 32 位指针左移 3 位来恢复完整的 64 位地址。
这种方式扩展了可寻址的内存空间，使得 32 位指针可表示 2^35（约 32GB）的内存地址，从而在 64 位系统上为 JVM 节省内存并满足大部分应用需求。

3. JVM指针压缩参数

关于压缩指针的两个参数：
UseCompressedClassPointers：压缩类指针
UseCompressedOops：压缩普通对象指针
Oops是Ordinary object pointers的缩写，这两个参数默认是开启的，即-XX:+UseCompressedClassPointers，-XX:+UseCompressedOops，也可手动设置，如下所示

2位HotSpot VM是不支持UseCompressedOops参数的，只有64位HotSpot VM才支持。
Oracle JDK从6 update 23开始在64位系统上会默认开启压缩指针。

三、总结

通过指针压缩，利用对齐填充特性，通过映射方式达到了内存地址扩展的效果
指针压缩能够节省内存空间，同时提高了程序的寻址效率
堆内存设置最好不要超过32GB，这时指针压缩将会失效，造成空间的浪费
指针压缩不仅可以作用于对象头的类型指针，还可以作用于引用类型的字段指针（包括引用类型的数组指针）
-XX:ObjectAlignmentInBytes，默认是 8，也就是 8 字节对齐

参考链接：

https://blog.csdn.net/liujianyangbj/article/details/108049482
https://www.cnblogs.com/star95/p/17512212.html