Java对象头 详解

Java对象头是理解对象内存存储和JVM运行机制的核心部分，它位于对象内存布局的起始位置，存储了对象的元数据和运行时状态信息。以下从结构、功能及机制三个维度深入解析：

一、对象头的组成结构

1. Mark Word（标记字）
   占64位系统中的8字节（开启压缩指针后为4字节），存储动态变化的运行时数据：

   • 哈希码：用于快速定位对象
   • GC分代年龄：记录对象存活周期（4位，最大值为15）
   • 锁状态标志：2位标识无锁/偏向锁/轻量级锁/重量级锁状态
   • 偏向线程ID：持有偏向锁的线程标识
   • 锁指针：指向锁记录的指针（如轻量级锁）

2. Klass Pointer（类型指针）
   指向类元数据的指针，使JVM能识别对象类型。64位系统中默认占用8字节，但通过指针压缩（-XX:+UseCompressedOops）可缩减至4字节。

3. 数组长度（可选）
   仅数组对象存在此部分，4字节存储数组长度。

二、内存布局全貌

完整Java对象内存结构如下：

|-------------------|
|   对象头 (Header)  | → Mark Word + Klass Pointer + [数组长度]
|-------------------|
| 实例数据 (Instance) | → 对象字段按类型对齐存储
|-------------------|
| 对齐填充 (Padding) | → 保证对象大小为8字节的整数倍
|-------------------|

实例数据字段的存储顺序遵循 宽度优先原则（double/long > int/float > short/char > byte/boolean > reference），以减少内存碎片。

三、锁机制与对象头的交互

对象头是实现synchronized锁优化的关键载体：

1. 偏向锁
   Mark Word记录线程ID和epoch值，适用于单线程重复访问场景，通过CAS操作实现锁竞争规避。

2. 轻量级锁
   当发生锁竞争时，Mark Word复制到线程栈的Lock Record，对象头指向该记录的指针。

3. 重量级锁
   对象头指向操作系统级互斥量（monitor），涉及线程阻塞和上下文切换。

四、内存优化实践

1. 指针压缩
   启用-XX:+UseCompressedOops后，64位JVM中对象头可减少4-8字节，显著降低堆内存占用。

2. 字段重排序
   JVM自动优化字段排列顺序，减少因对齐产生的内存空隙。

五、可视化示例（对象头状态转换）

关键结论：对象头通过动态数据结构和状态标志，实现了内存高效利用与并发控制的平衡。理解其机制对JVM调优（如锁消除、逃逸分析）和内存泄漏排查至关重要。实际开发中可通过Java Agent工具（如JOL）直接查看对象头字节内容。