Java对象在内存中的布局详解
1、Java 对象内存布局（HotSpot 虚拟机）
在 HotSpot 虚拟机 中，一个 Java 对象在堆内存中的存储布局可以分为以下几个部分：
1、对象头（Object Header）
对象头是对象内存布局中最重要的部分之一，它存储了关于对象自身的运行时数据，如哈希码、GC 分代年龄、锁状态等。
对象头又分为两部分（在 64 位 JVM 中）：
| 组成部分 | 说明 |
|---|---|
| Mark Word（标记字段） | 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、线程持有的锁、偏向线程ID等 |
| Klass Pointer（类型指针） | 指向对象所属类的元数据（即 Class 对象）的指针，JVM 通过它确定该对象是哪个类的实例 |
注意:
1、对象头是实现 synchronized、hashCode、垃圾回收、锁升级等机制的基础！
2、如果对象是一个 数组，对象头中还会多一个部分：数组长度（Array Length）
1、Mark Word（标记字段）详解（以 64 位 JVM 为例）
Mark Word 是对象头的一部分，它是一个 动态的数据结构，根据对象当前的状态（是否偏向锁、轻量级锁、重量级锁等），存储的内容会动态变化。
| 锁状态 | 存储内容简述 |
|---|---|
| 无锁状态 | 对象的 hashCode、GC 分代年龄 |
| 偏向锁 | 偏向线程 ID、偏向时间戳、对象分代年龄 |
| 轻量级锁 | 指向栈中锁记录的指针 |
| 重量级锁 | 指向 Monitor（管程/互斥锁）的指针 |
| GC 标记 | 与垃圾回收相关的标记（如三色标记） |
Mark Word 利用了 位运算与掩码，在一个 64-bit 的长整型中存储多种信息，非常精巧高效。
2、Klass Pointer（类型指针）
是一个指针，指向该对象所属的 类元数据（即 .class 对象），JVM 通过这个指针判断该对象是哪个类的实例。
在开启压缩指针（Compressed OOPs，默认开启）的情况下，占 4 字节；未开启则占 8 字节。
通过 Klass Pointer，JVM 知道这个对象是哪个 Class 的实例，从而可以找到方法、字段、父类等信息。
2、实例数据（Instance Data）
这是对象真正存储的 有效信息，也就是代码中定义的各种类型的字段（成员变量），包括：
1、从父类继承的字段
2、当前类中定义的字段
3、不同数据类型的字段（如 int、long、引用类型等）
实例数据部分是对象“业务数据”的存储区域，它的排列顺序受 JVM 实现与字段定义顺序影响，也可能被优化（如字段重排序）。
JVM 在布局时，可能会按照以下原则排列实例数据：
- 相同大小的字段尽量放在一起
- 父类字段在前，子类字段在后
- 可能进行 字段重排序以优化内存对齐
3. 对齐填充（Padding）
对齐填充不是必须的，但通常存在。
HotSpot 虚拟机要求 对象的大小必须是 8 字节的整数倍（即对象总大小对齐到 8 字节），这是为了提高内存访问效率（CPU 读取内存通常是按 8 字节对齐的）。
如果对象头 + 实例数据的总大小不是 8 的倍数，JVM 会在对象末尾填充一些 无意义的空白字节（Padding），以达到对齐的目的。
对齐填充 不存储任何有用信息，仅仅是为了内存布局优化。
2、Java 对象内存布局总结（图示）
下面是 一个普通 Java 对象在内存中的布局（64 位 JVM，开启压缩指针）的简化图示：
+---------------------------+
| 对象头 (Header) |
| - Mark Word (8字节) | --> 哈希、GC年龄、锁状态等
| - Klass Pointer (4字节) | --> 指向 Class 元数据
| | （如果是数组，还会有数组长度字段 4字节）
+---------------------------+
| 实例数据 (Fields) | --> 你定义的成员变量（int, 引用等）
+---------------------------+
| 对齐填充 (Padding) | --> 保证总大小是 8 字节倍数（可能没有）
+---------------------------+3、对象大小估算（示例）
估算一个 Java 对象在内存中占用的空间大小示例
public class User{int id; // 4 字节String name; // 4 字节（引用类型，压缩指针下）boolean male; // 1 字节int age; // 4 字节
}注意：这里说的是对象自身占用的内存，不包括它引用的对象（比如 name 是 String，String 对象在堆上另存）
对象布局分析（64 位 JVM，开启压缩指针）：
| 成部分 | 大小（字节） | 说明 |
|---|---|---|
| 对象头 | 12 字节 | Mark Word（8） + Klass Pointer（4） |
| 实例数据 | 4 (int id) + 4 (引用 name) + 1 (boolean male) + 4 (int age) = 13 字节 | |
| 对齐填充 | 3 字节 | 总计 12 + 13 = 25，不是 8 的倍数，填充到 28 字节（32 - 25 = 3） |
大约占用 28 字节（实际可能略有差异，依赖 JVM 实现）
4、特殊对象：数组对象的内存布局
如果对象是一个 数组，比如 int[]、String[]，那么对象头中会多一个字段：数组长度（Array Length，4 字节）
+---------------------------+
| 对象头 |
| - Mark Word (8字节) |
| - Klass Pointer (4字节) |
| - 数组长度 (4字节) | <-- 仅数组对象有
+---------------------------+
| 数组元素数据 | --> 比如 int[] 就是连续的 int 值
+---------------------------+
| 对齐填充 (如有) |
+---------------------------+数组对象比普通对象多存储一个长度信息，占用额外 4 字节（压缩指针下）。
2、总结：
| 组成部分 | 说明 | 是否必有 | 大小（64位，压缩指针） |
|---|---|---|---|
| 对象头（Header） | 包括 Mark Word 和 Klass Pointer | ✅ 必有 | 通常 12 字节（8 + 4） |
| Mark Word | 存储哈希、GC 年龄、锁状态等动态信息 | ✅ 是对象头的一部分 | 8 字节 |
| Klass Pointer | 指向该对象的类元数据（Class） | ✅ 是对象头的一部分 | 4 字节（可开启/关闭压缩） |
| 数组长度（仅数组） | 数组对象才有，表示数组长度 | ❌ 仅数组对象 | 4 字节 |
| 实例数据（Fields） | 对象的成员变量（包括继承的字段） | ✅ 必有 | 依据字段类型而定 |
| 对齐填充（Padding） | 保证对象总大小是 8 字节对齐 | ❌ 可能没有 | 0~7 字节 |
3、补充：
| 主题 | 说明 |
|---|---|
| synchronized 的实现 | 依赖对象头中的 Mark Word 实现锁状态记录 |
| hashCode() 的默认实现 | 默认与对象头中的 Mark Word 相关（可重写） |
| 垃圾回收与对象年龄 | 对象头中存储 GC 分代年龄，用于判断是否进入老年代 |
| 锁升级（偏向锁、轻量级锁、重量级锁） | 基于对象头 Mark Word 中的状态标志实现 |
| 对象内存大小查看工具 | 如 JOL（Java Object Layout），可以精确查看对象布局与大小 |
Java 对象在内存中的布局分为对象头（包括 Mark Word 和 Klass Pointer）、实例数据（成员变量）、对齐填充三部分，其中对象头是实现锁、GC、哈希等机制的核心，对象大小受字段类型、对齐规则等影响。