Java 中对象的内存布局：Mark Word、Klass Pointer 与实例数据的占比分析

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Java 对象内存布局分析

在 HotSpot 虚拟机中，Java 对象的内存布局由三部分组成：对象头（Header）、实例数据（Instance Data） 和 对齐填充（Padding）。其中对象头包含 Mark Word 和 Klass Pointer，具体占比取决于系统架构和 JVM 配置（以 64 位系统为例）：

1. 对象头 (Header)

Mark Word（8 字节）
存储对象运行时数据：
$$ \text{哈希码} + \text{GC 年龄} + \text{锁状态} + \text{偏向信息} $$
Klass Pointer（4 字节）
指向类元数据的指针（开启指针压缩时）：
$$ \text{KlassPtr} \rightarrow \text{方法区中的类结构} $$

2. 实例数据 (Instance Data)

存储对象字段值，大小由字段类型决定：

基本类型：$ \text{int} = 4\text{B}, \text{long} = 8\text{B} $
引用类型：$ 4\text{B} $（指针压缩时）

3. 对齐填充 (Padding)

确保对象总大小为 8 字节的整数倍，满足 CPU 内存对齐要求。

占比计算（64 位系统 + 指针压缩）

假设对象含以下字段：

class Example {
    int a;      // 4B
    long b;     // 8B
    String c;   // 4B (引用)
}

组件	大小计算	实际大小	总占比
对象头	Mark Word + Klass Ptr	12B	33.3%
实例数据	$4 + 8 + 4$	16B	44.4%
对齐填充	补足 $12+16=28$ → 32	4B	11.1%
总计	-	32B	100%

$$ \text{总大小} = 32\text{B} \quad \left( \frac{\text{对象头}}{32} \times 100% \approx 37.5% \right) $$

关键影响因素

指针压缩（-XX:+UseCompressedOops）
- 开启时：Klass Pointer = 4B，引用 = 4B
- 关闭时：Klass Pointer = 8B，引用 = 8B
  （关闭后对象头占比升至 ≈50%）

字段类型优化
字段重排序可减少内存间隙：

// 优化前：int(4) + long(8) → 可能产生4B间隙
// 优化后：long(8) + int(4) → 无间隙

对象对齐规则
内存分配满足 $ \text{size} \mod 8 = 0 $，否则自动填充。

验证代码

使用 JOL 工具查看实际布局：

// 添加依赖：org.openjdk.jol:jol-core
public static void main(String[] args) {
    System.out.println(ClassLayout.parseClass(Example.class).toPrintable());
}

输出示例：

Example object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION
0     12        (object header)  // Mark+Klass
12     4    int Example.a
16     8   long Example.b
24     4 String Example.c
28     4        (alignment)      // Padding

验证总大小：$12 + 4 + 8 + 4 + 4 = 32\text{B}$