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使用面嚮對象語言，離不開的就是對象，現在回過頭來思考一下，真的瞭解所使用語言的對象麼？我自己有點心虛，對於Java的對象，我瞭解的尚且還不夠深入，對於一些底層的東西，還有待進一步瞭解學習。這一篇博文，來講講Java對象的大小，學習如何計算Java對象的大小。如果你想深入Java 對象的內存設計，以及在做內存優化時，需要知道每個對象佔用的內存的大小，所以這一點還是很重要的，需要好好理解。要計算Java對象佔用內存的大小，首先需要了解Java對象在內存中的實際存儲方式和存儲格式。接下來，我們就來學習相關的知識。
思考以及預備知識
搞清楚存儲在內存中的對象，它具體是如何存儲的，存儲時都需要存哪些信息，以及存這些信息的意義是什麼。比如看下面這段代碼，下面這兩行代碼當中的 list 對象是如何存儲起來的？
List list = new ArrayList;
list.add("hello, world!");
要學習對象是怎麼存儲在內存當中的，就要從很原始的地方說起，先學習 JVM 的內存結構，這篇文章不講很具體的JVM內存結構的知識，我這邊只是提一下稍後需要用到的一些知識點。JVM 在運行 Java 程序時，會管理一塊內存區域，這一片區域被稱爲運行時數據區域，從結構上可以分爲五個部分，分別是：
- Java 虛擬機棧：線程私有，存儲局部變量等
- 本地方法棧：線程私有，存儲本地方法的變量等
- 程序計數器：線程私有，存儲字節碼的地址（程序執行到第幾行了）
- 堆：線程共享，存儲幾乎所有對象
- 方法區：線程共享，存儲類的結構信息（字段、構造方法等等）
我們今天要說的，只是棧和堆（棧指的是 Java 虛擬機棧）。非常淺薄地講，棧存放的是局部變量以及對象的地址，堆存放的是對象的實體。（看書發現，棧中存放的並不一定是對象地址，但這是最常見的尋找堆對象的方式）簡單製作了一張圖，描述了代碼、棧、堆之間的關係。
這裏要注意一點的是，內存結構和內存模型並不是一個概念：當我們說內存結構時，通常是指JVM 內存結構，這是真實存在的，指的是上文介紹的 Java 虛擬機棧、堆、本地方法棧等等那五部分構成的 JVM 運行時數據區域，這是在結構上把 JVM 的內存分成了多個部分。
當我們說內存模型時，通常是指Java 內存模型，這是虛擬存在的，指的是面對併發時 Java 是如何實現內存訪問一致的，牽扯到了主內存和工作內存等知識，這是在模型和概念上，屏蔽各種硬件和操作系統的內存訪問差異，來實現併發內存一致性。
如何計算對象的大小
如何計算對象的大小。這個問題實際上可以拆成兩個問題：
- 對象由哪些部分組成？
- 每部分各佔多少字節？
在這兩個問題的基礎上，自然會問出第三個問題：
- 組成對象的這些基礎部分，各自是做什麼的？
這裏要多說一下的是，本篇文章提到的內容，實際上是 HotSpot 虛擬機的實現，而並非所有 Java 虛擬機的實現，但是目前基本上所有的 Java 程序都跑在 HostSpot 虛擬機上面。
所有對象都可以籠統地切分成兩部分：對象頭（Header）和對象內容（Instance Data）。舉一個實際的例子：
class Person {
private String name;
private int age;
}
對於上面這個 Person 類，它實例化出來的對象同樣具有對象頭和對象內容兩部分，name 和 age 都是對象的內部變量，屬於對象內容，而對象頭是其餘一些輔助信息。我繪製了一張圖，畫出了在最常見情況下（64 位虛擬機開啓指針壓縮），對象在內存中的結構，後文都是在解釋這個結構的具體信息。
對象內容
對象內容準確地講應該叫做實例數據（Instance Data），比較簡單，因此我們先講完。正如之前提到的 Person 對象的例子，對象內的屬性（包括基本數據類型 int age 和引用的另一個對象 String name），這些屬性所佔的內容大小，就是對象內容的大小。在該例子中，int 類型的 age 佔 4 個字節（即 32 位），引用另一個對象時，存儲的是對象的地址，地址是一個 int 類型的指針，因此 String 類型的 name 存儲在 Person 對象中也佔 4 個字節（即 32 位），兩個屬性加起來一共佔 8 個字節。因此計算對象內容的大小，實際上就是分兩部分，基本數據類型一類，佔內容大小加起來，引用別的對象佔一類，引用一個就是 4 字節（int 的大小），引用 N 個對象就佔 N*4 個字節。下面列舉了 8 種基本數據類型的大小。
| 基本數據類型 | 大小（字節） |
|---|---|
| byte | 1 |
| char | 2（表示一個 UTF-16be 編碼單元，生僻字用兩個char） |
| short | 2 |
| int | 4 |
| float | 4 |
| long | 8 |
| double | 8 |
| boolean | 通常是1 |
此外還要注意的一點是，如果 A 類繼承自 B 類，那麼計算 A 類的對象內容大小時，繼承來的 B 類的屬性也是要算在內的。比如計算 ArrayList 對象大小的時候，它的父類 AbstractList 中的屬性，也是要計算在內的。
對象頭
對象頭（Header）比較複雜，它包含着對象的“冗餘信息”，這些信息或實現併發鎖，或幫助垃圾分類，或包含類的信息。從整體上看，對象頭包含三部分的信息，分別是
- 標記字段
- 地址
- 數組長度
標記字段
標記字段（Mark Word）是對象頭中最複雜的內容，需要對照上面繪製的圖來看。由於內存空間寸土寸金，在希望對象能夠記錄更多信息的同時，還要儘可能地壓縮空間，在這種背景之下，32 位虛擬機的對象標記字段長 4 字節，64 位虛擬機的對象標記字段長 8 字節（現在基本都是 64 位了吧），並且都有着動態定義的數據結構，以便在極小的空間內存儲儘量多的數據。32 位和 64 位的存儲長度不同，僅僅是因爲地址指針長度引起的變化，在存儲的內容類型方面沒有區別。（具體的標記字段信息可見文末的備註）。以我當下的理解，標記字段主要實現了三個事情：
- 對併發情況下的 synchronized 支持
- GC 垃圾回收
- 保存 hashcode
標記字段共有五種狀態，分別是對應於 synchronized 的四種狀態（無鎖、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖），以及一種 GC 狀態，這五種狀態通過 2 位標誌位實現（無鎖和偏向鎖的標誌位相同）。因此，瞭解標記字段的具體信息，實際上就是在瞭解 synchronized 鎖和垃圾回收的原理。這兩部分都有點難，本文暫時不討論了。
地址信息
對象頭中有一部分是地址信息，它實際上是一個類型指針，指向了該對象類型的地址。例如 person 對象的對象頭中的地址信息，指向了 Person 類的地址（類在方法區）。在這種設計下，可以通過對象找到類，比如在 main() 方法中實例化一個 Person 對象 person，在內存中尋址的過程爲：
- main() 方法的 Java 棧中記錄着 person 對象的地址；
- 根據這個地址在堆中找到了 person 對象；
- person 對象的頭部又記錄着 Person 類的地址，根據這個地址在方法區中找到了 Person 類；
（實際上，在對象的頭部中保留類的地址信息，通過對象找到類的位置，這種設計是 HotSpot 虛擬機的設計，也有別的虛擬機不這麼設計，對象頭中並不包含類的地址，不通過對象找類。）地址信息的大小並不是固定的，這跟系統位數有關，32 位的虛擬機，指針是 32 位長，地址信息只需要 32 （即 4 字節），但是對於 64 位的虛擬機，指針是 64 位長，因此地址信息也需要擴增到 64 位（即 8 字節）。
32 位的虛擬機，理論上只能尋址到 4 GB 的內存空間（2^32 byte = 4 GB），而 64 位的虛擬機能尋址到更多地址。這樣的提升是有代價的，一方面內存佔用量變大了，原來只需要 4 個字節存儲一個地址，現在需要 8 個字節了（如果不需要比 4GB 更多的內存，用這麼大的空間是沒有意義的），另一方面尋址時操作位數更長的指針，主內存和各級緩存移動數據時，佔用的帶寬也會增加。Java 虛擬機爲了處理這個問題，提出了指針壓縮。
指針壓縮的簡易原理是這樣的：32 位的指針，當然只能找到 4 GB 個內存位置，如果我有一塊更大的內存區域，比如 10 GB，32 位的指針就不能指向這 10 GB 中的所有位置，但實際上並不需要找到這塊內存中的所有位置，它只需要找到要操作的開始位置就可以了。這意味着 32 位的指針可以引用 40 億個對象，而不是 40 億個字節。Java 對象的大小如果一定是 8 字節的整數倍（這個後文有講），那麼就可以使原來只能尋址 4 GB 的內存擴大 8 倍，到 32 GB 的內存。
因此對於分配內存低於 4 GB 的虛擬機，默認開啓指針壓縮，指針大小就是 32 位長，對於分配內存在 4 - 32 GB 之間的虛擬機，可以開啓指針壓縮算法，使指針大小依舊維持在 32 位長，但是對於更大的內存，無法開啓指針壓縮，指針大小必須是 64 位長。（因此分配內存並不是越大越好，32 GB 處會有一個門檻）指針壓縮並非毫無缺陷，這畢竟是多出來的算法，會增加 JVM 的計算量。
總結：對象頭中的地址信息大小，跟系統位數以及是否開啓指針壓縮有關，32 位系統、開啓了指針壓縮的 64 位系統的地址信息長 4 字節，普通 64 位系統的地址信息長 8 字節。
數組大小
數組大小並不是必須的，數組纔有，非數組沒有。因爲數組是 new 出來的，需要在堆上分配內存，在這個意義上講，數組就是對象的一種。數組的長度是需要記錄下來的，長度爲 4 字節。int 也是 4 字節，這就很容易讓人聯想在一起。Java 中 int 是有符號整型數，是有負值的，int 的最大值是 2^31 - 1，用二進制表示爲 01111111111111111111111111111111。數組的理論最大長度，也應該是 int 的最大值。
實際的使用中可能會小一點。例如 ArrayList 內部維護的數組，它的最大長度是 Integer.MAX_VALUE - 8，註釋稱這是因爲虛擬機的限制。又例如 HashMap 內部維護的數組，它的最大程度是 1 << 30，這是 1 位運算之後能獲得到的最大值（二進制爲 01000000000000000000000000000000）。
補充
在計算完對象頭和對象內容的大小之後，二者加起來並不一定是最終佔內存的大小，還要考慮內存對齊的問題。所有對象的字節大小，必須是 8 的整數倍，如果對象頭+對象內容算出來是 15 字節，那麼最終對象大小爲 16 字節，如果是 20 字節，那麼最終對象大小是 24 字節，總之如果不滿 8 的整數倍，都填充到 8 的整數倍，填充的部分叫做對齊填充（Padding），實際上就是佔位符。對齊填充的原因在於，HotSpot 虛擬機的自動內存管理系統，要求對象的起始地址必須是 8 字節的整數倍（這樣尋址更高效，而且實現了指針壓縮），因此對象的大小也就必須是 8 字節的整數倍。
三種情況（32 位虛擬機、64 位虛擬機、64 位虛擬機開啓指針壓縮）下，對象頭的具體存儲內容：
32 位虛擬機
64 位虛擬機
64 位虛擬機開啓指針壓縮
舉例計算對象大小
最後用一個例子檢驗上文中的內容，計算一個 HashMap 對象的大小。HashMap 類不是數組，在 64 位開啓指針壓縮的情況下，對象頭只包括 8 字節的標記字段和 4 字節的地址指針，總共 12 字節。
HashMap 類中分別有下列屬性：
- entrySet （對象）
- hashSeed （int）
- loadFactor （float）
- modCount （int）
- size （int）
- table （數組，當對象處理）
- threshold （int）
檢查 HashMap 的所有父類，在 AbstractMap 中發現了兩個新的屬性：
- keySet （對象）
- values （對象）
算下來一共是 9 個屬性，每個屬性很巧都是 4 字節，一共是 9×4 = 36 字節，因此 HashMap 的對象內容爲 36 字節。HashMap 對象的對象頭 12 字節 + 對象內容 36 字節總共是 48 字節，是 8 字節的倍數，無需對齊填充。因此一個 HashMap 對象的大小是 48 字節。