一前言

當(dāng)今，Java已經(jīng)成為了世界上最流行的編程語(yǔ)言之一。在Java的生態(tài)系統(tǒng)中，JVM（Java虛擬機(jī)）是至關(guān)重要的組成部分。JVM 是 Java 程序運(yùn)行的環(huán)境，它負(fù)責(zé)將 Java 字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼，并執(zhí)行程序。在 JVM 中，內(nèi)存使用以及分配一直是個(gè)重要的問(wèn)題。

在 32 位系統(tǒng)中，一枚指針占用 4 字節(jié)，隨著 64 位系統(tǒng)的逐漸普及，指針的大小也增長(zhǎng)到了 8 個(gè)字節(jié)，JVM 為了降低內(nèi)存占用，使用了指針壓縮技術(shù)來(lái)降低內(nèi)存的占用，接下來(lái)，我們將自頂向下的深入探討 JVM 指針壓縮的工作原理。

二理解壓縮指針

為什么 JVM 需要壓縮指針？

在計(jì)算機(jī)中，指針的大小通常取決于計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)。例如，在 32 位系統(tǒng)一字長(zhǎng)為 4 字節(jié)，即一枚指針的占用內(nèi)存空間大小為 4 字節(jié)。隨著計(jì)算機(jī)性能的提升，內(nèi)存價(jià)格的降低，64 位系統(tǒng)也開始逐漸普及。而在 64 位系統(tǒng)中，字長(zhǎng)和指針也由原來(lái)的增長(zhǎng)到 8 個(gè)字節(jié)，JVM 為了降低內(nèi)存占用，開發(fā)了指針壓縮算法，即：在 64 位系統(tǒng)中，指針依然使用 4 字節(jié)存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)指針與字長(zhǎng)的關(guān)系

字長(zhǎng)是指一臺(tái)計(jì)算機(jī)中處理器可以一次性處理的二進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)。它通常是 8 位、16 位、32 位或 64 位，這意味著在一次處理中可以處理 8 個(gè)、16 個(gè)、32 個(gè)或 64 個(gè)二進(jìn)制數(shù)字。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力越強(qiáng)，但同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算機(jī)的成本和復(fù)雜度。

CPU 的上下文是寄存器，CPU 運(yùn)算的本質(zhì)就是不斷從 CS IP 寄存器中取指令然后執(zhí)行，CPU 運(yùn)算所需的數(shù)據(jù)也是放在寄存器里，CPU 一次性處理的數(shù)據(jù)大小就是寄存器的大小。

上圖左側(cè)是一段簡(jiǎn)單的 C 語(yǔ)言代碼片段，右側(cè)是該代碼的匯編代碼（即 CPU 執(zhí)行這段代碼的實(shí)際機(jī)器碼的解釋）。

CPU 執(zhí)行計(jì)算時(shí)，需要先將數(shù)據(jù)讀取到寄存器，存取內(nèi)存中的變量時(shí)，是直接操作變量所在地址及偏移量，而變量所在地址（即指針）也是存儲(chǔ)在寄存器中的，因此寄存器大小直接決定了 CPU 所能訪問(wèn)內(nèi)存的地址空間。因此，在 32 位系統(tǒng)中，寄存器的最大長(zhǎng)度是 32 bit（即 4 個(gè)字節(jié)），因此最大支持訪問(wèn) 4GB 的內(nèi)存空間，在 64 位系統(tǒng)中，寄存器最大 64 bit（即 8 字節(jié)）。而數(shù)據(jù)的指針由于需要指向整個(gè)內(nèi)存空間，因此也就是 8 字節(jié)。8 字節(jié)大小的指針?biāo)茉试S訪問(wèn)的最大地址為：16EB（16384PB=16777216TB=17179869184GB）的內(nèi)存空間。

所以字長(zhǎng)其實(shí)就等于寄存器的大小，指針為了能指向整個(gè)內(nèi)存空間，通常也等于字長(zhǎng)大小。

理解內(nèi)存對(duì)齊

這是一段簡(jiǎn)單的 C 語(yǔ)言代碼：

#include 
struct Test {
    int a;
    char b;
    int c;
} test;


int main(void) {
    test.a = 1;
    test.b = 2;
    test.c = 3;
    printf("struct Test size: %d
", sizeof(test));
    return 0;
}

在 C 語(yǔ)言中，結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)是連續(xù)的，Int 為 4 字節(jié)，Char 為 1 字節(jié)，所以 Struct Test 為 9 字節(jié)。

但是實(shí)際輸出結(jié)果卻是 12 字節(jié)：

通過(guò)匯編指令可以分析出，結(jié)構(gòu)體 Test 的內(nèi)存布局如下：

可以看出，在 Char 類型數(shù)據(jù)后面被空出了 3 個(gè)字節(jié)的位置，原因如下：

計(jì)算機(jī)只能從 4 字節(jié)的整數(shù)倍開始尋址，如果在 Char b 后不進(jìn)行空數(shù)據(jù)填充，則編譯后的指令會(huì)很長(zhǎng)，極大的降低 CPU 執(zhí)行效率：

所以在 JVM 中，對(duì)象的存儲(chǔ)也是如此設(shè)計(jì)：

class Test {
    int a;
    char b;
    int c;
}

對(duì)象布局如下：

可以看出 Char b 數(shù)據(jù)后空出了 3 個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間作為 Padding， 以供后面的對(duì)象進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊。

為什么計(jì)算機(jī)只能從特定地址讀取數(shù)據(jù)？

計(jì)算機(jī)之所以只能從特定地址開始讀取數(shù)據(jù)，是由于在內(nèi)存中存儲(chǔ)的物理位置導(dǎo)致的。

這是一根內(nèi)存條，上面有 4 個(gè)內(nèi)存顆粒（Chip），在我們聲明一個(gè)變量 Int a = 1;時(shí)，CPU 想一次從內(nèi)存中同時(shí)取出 32 位數(shù)據(jù)，為了發(fā)揮并行傳輸數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)與 4 個(gè)內(nèi)存顆粒進(jìn)行交互肯定比一個(gè)內(nèi)存交互要快，因此數(shù)據(jù) a 分別在 4 個(gè)顆粒中存儲(chǔ) 0x01 0x00 0x00 0x00。

每個(gè)內(nèi)存顆粒 Chip 中有 8 個(gè) bank，每次同時(shí)從 8 個(gè) bank 中取一位數(shù)據(jù)。

為了盡可能節(jié)約地址總線位數(shù)，變量 a 的每字節(jié)數(shù)據(jù)在各 Chip 中相對(duì)位置是相同的，每字節(jié)中的每位數(shù)據(jù)在 bank 中的行數(shù)和列數(shù)也是相同的。

總結(jié)，為了能利用有限的地址總線，盡量快速尋址到盡可能多的數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)取了巧，CPU 同時(shí)只能訪問(wèn) 32 個(gè)相對(duì)地址相同的數(shù)據(jù)位，表現(xiàn)上就是只能從被 4 字節(jié)整除的地址開始尋址。

理解指針壓縮

在 64 位系統(tǒng)中，JVM 為了降低 8 字節(jié)的指針對(duì)內(nèi)存的占用，使用了指針壓縮的技術(shù)，將 8 字節(jié)的指針壓縮為 4 字節(jié)。

前面說(shuō)到，JVM 出于性能考慮，對(duì)數(shù)據(jù)做了對(duì)齊到 4 字節(jié)的處理，因此指針的值末尾 5 bit 始終為 0B11111。JVM 的指針壓縮算法就是，把本來(lái)應(yīng)該使用 8 個(gè)字節(jié)的指針，直接改為 4 字節(jié)的進(jìn)行代替，那么 4 字節(jié)的指針實(shí)際最高可以表示 32G 的內(nèi)存空間。這也就是為什么當(dāng)物理內(nèi)存超過(guò) 32G 時(shí)，需要關(guān)閉 JVM 指針壓縮。

三實(shí)戰(zhàn)解碼指針

工具介紹

HSDB

HSDB（HotSpot Debugger），是一個(gè)用于 HotSpot 虛擬機(jī)的調(diào)試工具。它提供了一種可視化的方式來(lái)查看和調(diào)試 Java 應(yīng)用程序在 JVM 上的運(yùn)行情況。HSDB 可以用于分析線程、堆、類、對(duì)象、方法、編譯器和代碼緩存等方面的信息。它還可以用于監(jiān)視虛擬機(jī)性能和調(diào)試?yán)厥掌鳌SDB 是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具，可以幫助開發(fā)人員更好地理解和優(yōu)化 Java 應(yīng)用程序的性能。

官方提供的 HSDB 命令行不是很好用，比如命令補(bǔ)全、命令提示、光標(biāo)移動(dòng)、命令歷史記錄等都不存在，所以本次分享講利用 PerfMa 開源的 XPocket 工具，配合 HSDB 插件來(lái)操作。

XPocket 工具

XPocket 是 PerfMa 為解決性能問(wèn)題而生的開源的插件容器，它是性能領(lǐng)域的樂(lè)高，將定位或者解決各種性能問(wèn)題的常見(jiàn)的 Linux 命令，JDK 工具，知名性能工具等適配成各種 XPocket 插件，并讓它們可以相互聯(lián)動(dòng)一鍵解決特定的性能問(wèn)題。目前 XPocket 插件生態(tài)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 HSDB、JDB、JConsole、Perf、Arthas 等多個(gè)優(yōu)秀的開源性能工具的插件化集成。

快速開始

下載 XPocket，然后解壓運(yùn)行。

wget https://a.perfma.net/xpocket/download/XPocket.tar.gz
tar -xvf  XPocket.tar.gz
sh xpocket/xpocket.sh

# 切換至 HSDB 插件空間
XPocket [system] > use jhsdb@JDK
# 啟動(dòng) clhsdb 命令行
XPocket [jhsdb] > clhsdb
# attach 到目標(biāo)進(jìn)程
XPocket [jhsdb] > attach 29516

利用 HSDB 查看 JVM 對(duì)象內(nèi)存布局

準(zhǔn)備工作

編寫一個(gè)測(cè)試類，啟動(dòng) JVM 進(jìn)程。

@Data
@Component
public class BeanTest {
    private long l = 1;
    private BeanTest pointer = this;
    private int i = 2;
    private boolean b = false;
    private char c = 3;
    private BeanTest[] arr = {this};
}

想要查看對(duì)象的內(nèi)存布局，首先要找到這個(gè)對(duì)象所在位置，JVM 的對(duì)象分布在堆上，可以通過(guò) Universe 命令確定堆內(nèi)的相關(guān)區(qū)域?qū)?yīng)位置。

# 執(zhí)行以下命令，切換至 HSDB 插件
XPocket [system] > use jhsdb@JDK
# 啟動(dòng) HSDB 插件
XPocket [jhsdb] > clhsdb
# 通過(guò) jps 命令，查詢 JVM 進(jìn)程的 pid，attach 到這個(gè) JVM 進(jìn)程
XPocket [jhsdb] > attach 29516
# 執(zhí)行 universe 命令，查看堆內(nèi)存分布情況
XPocket [jhsdb : 29516] > universe

內(nèi)存分布情況如下：

括號(hào)內(nèi)的第一個(gè)值為內(nèi)存起始位置，第二個(gè)值為已使用的位置，第三個(gè)值為該區(qū)域最大地址。以上圖 eden 區(qū)為例：

eden 區(qū)空間范圍為：0x00000000fab00000 ～ 0x00000000fef00000，相減得到 71303168，68MB。

eden 區(qū)已使用空間為：0x00000000fab00000 ～ 0x00000000fafd2a60，相減得到 5057120，4.82M。

找到我們定義的對(duì)象

我們要找的對(duì)象是受 Spring 管理的，所以很容易判斷，通常情況下都會(huì)在老年代里。那么我們直接在老年代內(nèi)檢索這個(gè)對(duì)象即可。由于 Oop（簡(jiǎn)單對(duì)象指針）是所有 Java 對(duì)象的基類，所以我們可以利用 Scanoops 命令來(lái)檢索這個(gè)對(duì)象。

XPocket [jhsdb : 29516] > scanoops 0x00000000f0000000 0x00000000f1265ca8 com.poizon.robot.test.BeanTest

檢索到的結(jié)果如下：

0x00000000f1060898 是這個(gè)對(duì)象實(shí)例的內(nèi)存地址，也就是該對(duì)象的指針值。

查看對(duì)象內(nèi)存布局

然后我們就可以通過(guò) Inspect 命令來(lái)查看該對(duì)象的內(nèi)存布局了。

XPocket [jhsdb : 29516] > inspect 0x00000000f1060898

得到結(jié)果如下：

注意：這里顯示的數(shù)據(jù)是按照類變量順序來(lái)展示的，并非實(shí)際結(jié)構(gòu)

由圖返回結(jié)果可以看出， BeanTest 對(duì)象大小為 40 字節(jié)，當(dāng)前系統(tǒng)為 X64 架構(gòu)，一個(gè)字長(zhǎng)為 8 字節(jié)，即此對(duì)象占用 5 個(gè)字長(zhǎng)。執(zhí)行 Mem 命令，獲取整個(gè)對(duì)象（5 個(gè)字長(zhǎng)）的數(shù)據(jù)。

XPocket [jhsdb : 29516] > mem 0x00000000f1060898 5

得到結(jié)果如下：

左側(cè)為當(dāng)前字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)起始地址，右側(cè)為數(shù)據(jù)值。

我們?cè)賮?lái)復(fù)習(xí)一遍對(duì)象頭（Oop數(shù)據(jù)），前 8 位是 Mark Word，后 8 位中，如果開啟了指針壓縮，則前 4 位為當(dāng)前實(shí)例所在類的指針，后 4 位填充當(dāng)前對(duì)象 <=4 字節(jié)的數(shù)據(jù)（Gap Padding）；如果未開啟指針壓縮，則該 8 位為當(dāng)前實(shí)例對(duì)所在類的指針。

查找類的指針

我們這次啟動(dòng)的進(jìn)程開啟了指針壓縮，把第二個(gè)字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)（0x000000022007a2bb）按 4 字節(jié)拆成兩部分：

0x00000002：BeanTest 對(duì)象中只有一個(gè)值為 2 ，所以該值是Int i = 2；

0x2007a2bb（類指針）：前面說(shuō)過(guò)，指針壓縮的原理只是簡(jiǎn)單的把 8 字節(jié)指針削減為 4 字節(jié)，因?yàn)楹?5 位始終為 0，因此若要還原壓縮后的指針實(shí)際內(nèi)存地址，直接把指針值 * 8即可。

BeanTest 類所在地址為：0x2007a2bb * 8 = 0x1003D15D8

執(zhí)行 Inspect 命令，查看 BeanTest 類結(jié)構(gòu)。

XPocket [jhsdb : 29516] > inspect 0x1003D15D8

結(jié)果如下：

證實(shí)

BeanTest 在 JVM 對(duì)象為 c++ 的 InstanceKlass 實(shí)例，可以看出 _name 屬性為 Symbol，接下來(lái)查看 InstanceKlass _name 屬性，證實(shí)當(dāng)前為 BeanTest 類的實(shí)例，執(zhí)行 Symbol 命令查看 _name 的值：

XPocket [jhsdb : 29516] > symbol 0x00007f1838abb740

證實(shí) 0x1003D15D8 所在的內(nèi)存地址，即是 com.poizon.robot.test.BeanTest 的 Class 對(duì)象。

四總結(jié)

在我們?nèi)粘ｉ_發(fā)中遇到的一點(diǎn)小小的，看似不起眼的奇怪的規(guī)范，深挖之下往往能夠牽扯出一大串知識(shí)體系，保持好奇心刨根問(wèn)底同樣也是很重要學(xué)習(xí)方法。有興趣的同學(xué)也可以自己嘗試找一下示例類中其他屬性所對(duì)應(yīng)的 Class 指針，說(shuō)不定還可以對(duì)網(wǎng)上的一些文章做一次勘誤呢～

審核編輯：湯梓紅