了解代码中的内存占用

1. 前言

平时在写代码的时候，我们很多人基本都不太关注应用中占用的内存，因为通常业务场景中，内存占用量也就2、3G，不会很大。

如果并发量很高，临时对象创建的很多，总体的内存占用量瞬间就上去了。虽然每次请求完成后对象的引用关系解除了，对象内存会在Jvm的下一次GC中被释放掉。但如果一直并发度高，整体来看内存占用量不会因为GC而减少。

另外有些业务中会基于内存做缓存（如：Map、Caffeine等等），因为在查询性能上比RocksDB、Redis更高。但无论是占用堆内内存，还是堆外内存，它们不会像前面的临时对象一样被Jvm释放，除非在业务中主动删除。这类的内存占用几乎是永驻的，更需要我们精简内存结构。

一定还会有一些其他的场景，这里就不一一列举了。当你的系统有内存瓶颈时，在写代码时就需要好好思考一下内存结构。

2. 对象内存-基本

2.1. 内存结构

一个 Java 对象的内存结构一般包括以下几个部分：

对象头 (Object Header)：
- Mark Word：通常是 8 字节，用于存储对象的哈希码、GC 状态、锁状态等信息。
- Class Pointer：通常是 4 字节或 8 字节（取决于 JVM 是否开启压缩指针），指向对象的类元数据。
实例数据 (Instance Data)：存储对象的字段（包括从父类继承的字段）。
对齐填充 (Padding)：JVM 要求对象大小是 8 字节的倍数，因此可能会有一些填充字节。

2.2. 测试工具

使用JOL计算对象大小，依赖：

        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.16</version>
        </dependency>

如下，在 getObject() 方法中返回对象，main 方法中打印该对象占用内存。

    public static void main(String[] args) {
        // 使用 JOL 计算对象大小
        long size = GraphLayout.parseInstance((getObject())).totalSize();
        System.out.println("Object size: " + size + " bytes");
    }
    
    private static Object getObject() {
        MemoryObj obj = new MemoryObj();
        return obj;
    }

2.3. 空对象内存1

已经知道对象的内存组成了，如果定义一个空类：

@Data
public class MemoryObj {
}

执行上述方法，结果为 16 bytes。

解释

对象头：12 bytes
实例数据：0
对齐填充：4 bytes

因为类没有任何属性，即没有 实例数据 的内存，所有内存为 对象头，共占用内存12 bytes（已开启压缩指针），经过 对齐填充 后为 16 bytes。

2.4. 空对象内存2

现在我们要给类加些属性了，先加1个 int 属性，先告诉你一个 int 占用内存 4 bytes。

@Data
public class MemoryObj {
    private int attr1;
}

执行上述方法，结果为 16 bytes。

对象头：12 bytes
实例数据：4 bytes
对齐填充：0 bytes

如上 对象头 和 实例数据 的内存加起来已经有 16 bytes（8 bytes 的倍数），因此不需要 对齐填充。

2.5. 空对象内存3

@Data
public class MemoryObj {
    private int attr1;
    private int attr2;
}

执行上述方法，结果为 24 bytes。

对象头：12 bytes
实例数据：8 bytes
对齐填充：4 bytes

此时2个 int 属性， 对象头 和 实例数据 的内存加起来有 20 bytes，需要 对齐填充。

3. 基本数据类型及包装类内存

3.1. 基本数据类型

byte：1 字节
boolean：1 字节
char：2 字节
short：2 字节
int：4 字节
float：4 字节
long：8 字节
double：8 字节

3.2. 包装类

首先，包装类是类，所以计算它的内存占用，就用对象内存占用来计算。

另外，每种基本数据类型对应的包装类，都只包含一个属性，就是对应的基本数据类型。

因此各基本数据类型的包装类对象内存占用分别如下。

1、Byte

类方法：

public final class Byte {
    private final byte value;
    ...
}

对象总内存 16 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：1 bytes
对齐填充：3 bytes

2、Boolean

类方法：

public final class Boolean {
    private final boolean value;
    ...
}

对象总内存 16 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：1 bytes
对齐填充：3 bytes

3、Character

类方法：

public final class Character {
    private final char value;
    ...
}

对象总内存 16 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：2 bytes
对齐填充：2 bytes

4、Short

类方法：

public final class Short {
    private final short value;
    ...
}

对象总内存 16 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：2 bytes
对齐填充：2 bytes

5、Integer

类方法：

public final class Integer {
    private final int value;
    ...
}

对象总内存 16 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：4 bytes
对齐填充：0 bytes

6、Float

类方法：

public final class Float {
    private final float value;
    ...
}

对象总内存 16 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：4 bytes
对齐填充：0 bytes

7、Long

类方法：

public final class Long {
    private final long value;
    ...
}

对象总内存 24 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：8 bytes
对齐填充：4 bytes

8、Double

类方法：

public final class Double {
    private final double value;
    ...
}

对象总内存 24 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：8 bytes
对齐填充：4 bytes

4. 对象内存-类属性

我们再重新回到对象的内存计算，前面对象的属性是基本数据类型，但很多时候属性同样也为类对象，还包含包装类、集合类。

4.1. 类属性1-引用

@Data
public class Memory2Obj {
    private int attr1;
}


@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class MemoryObj {
    private Memory2Obj attr1;
    private int attr2;
}


    private static Object getObject() {
        Memory2Obj attr1 = new Memory2Obj(1);
        MemoryObj obj = new MemoryObj(attr1,2);
        return obj;
    }

引用类型的内存占用

在Java中，当一个对象的属性是引用类型时，该属性在内存中的占用实际上是一个指针（也称为引用）。这个引用指向堆内存中的实际对象，而不是直接存储对象的数据。引用类型可以包括类实例、接口类型、数组等。

因此在计算包含引用类型的内存占用时，要分开算各自对象的内存占用。

首先看Memory2Obj 对象的内存结果为 16 bytes，这个前面已经算过了。

对象头：12 bytes
实例数据：4 bytes
对齐填充：0 bytes

而 MemoryObj 对象的内存结果为 24 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：
- 引用类型（attr1）：4 bytes，指向 Memory2Obj 对象的指针
- 基本数据类型（attr2）：4 bytes
对齐填充：4 bytes

总内存占用是 40 bytes（16 bytes + 24 bytes）。

4.2. 类属性2-null

还是上面的 MemoryObj、Memory2Obj，我们修改一下 getObject() 方法：

    private static Object getObject() {
        MemoryObj obj = new MemoryObj(null,2);
        return obj;
    }

这里因为没有创建 Memory2Obj 对象，所以没有该对象的内存占用，只有 MemoryObj的 24 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：
- 引用类型（attr1）：4 bytes
- 基本数据类型（attr2）：4 bytes
对齐填充：4 bytes

这里 attr1 的值为 null，但它作为一个实例字段，无论它是否指向一个有效的对象，它都需要在内存中占有一个空间来存储这个引用。

因此总内存占用是 24 bytes。

4.3. 类属性3-多引用

我们修改一下，MemoryObj类中有两个 Memory2Obj类型属性：

@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
@Data
public class Memory2Obj {
    private int attr1;
}

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class MemoryObj {
    private Memory2Obj attr1;
    private Memory2Obj attr2;
    private int attr3;
}

    private static Object getObject() {
        Memory2Obj attr = new Memory2Obj(1);
        MemoryObj obj = new MemoryObj(attr, attr, 2);
        return obj;
    }

首先看Memory2Obj 对象的内存结果为 16 bytes。

对象头：12 bytes
实例数据：4 bytes
对齐填充：0 bytes

而 MemoryObj 对象的内存结果为 24 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：
- 引用类型（attr1）：4 bytes，指向 Memory2Obj 对象的指针
- 引用类型（attr2）：4 bytes，指向 Memory2Obj 对象的指针
- 基本数据类型（attr3）：4 bytes
对齐填充：0 bytes

总内存占用是 40 bytes（16 bytes + 24 bytes）。

虽然 MemoryObj 对象有2个 Memory2Obj对象属性，但两个属性指针指向的对象地址是同一个，所以只是多了一个指针的内存（4 bytes）。

5. 特殊对象

5.1. 数组

5.1.1. 数组也是类

数组在Java中是一个特殊的对象类型，具有一些与类类似的特征，但也有其独特的属性。

1、对象性质：数组在Java中是对象。你可以使用instanceof操作符检查一个变量是否是数组类型。例如：

int[] array = new int[10];
System.out.println(array instanceof Object); // 输出 true

2、类加载：数组类型是由JVM在运行时动态生成的，每种数组类型都有一个与之对应的类。你可以通过调用getClass()方法来获取数组的类信息：

int[] array = new int[10];
System.out.println(array.getClass().getName()); // 输出 [I

其中，[I表示一个整数（int）数组。在Java中，类名的表示方式是以方括号开头的。

3、类层次结构：所有的数组类型都是Object类的子类，并且实现了Serializable和Cloneable接口：

int[] array = new int[10];
System.out.println(array instanceof Object);       // true
System.out.println(array instanceof Serializable); // true
System.out.println(array instanceof Cloneable);    // true

5.1.2. 内存结构

对象头 (Object Header)：
- Mark Word：通常是 8 字节，用于存储对象的哈希码、GC 状态、锁状态等信息。
- Class Pointer：通常是 4 字节或 8 字节（取决于 JVM 是否开启压缩指针），指向对象的类元数据。
数组长度字段：数组对象包含一个4字节的 int 类型字段，用于存储数组的长度。
数组元素：
- 基本类型数组：每个元素的内存占用等于基本类型的大小。
  - boolean[]：每个元素1字节。
  - byte[]：每个元素1字节。
  - char[]：每个元素2字节。
  - short[]：每个元素2字节。
  - int[]：每个元素4字节。
  - float[]：每个元素4字节。
  - long[]：每个元素8字节。
  - double[]：每个元素8字节。
- 引用类型数组：每个元素的内存占用为引用的大小。启用了指针压缩的64位JVM中，每个引用占用4字节。
对齐填充 (Padding)：JVM 要求对象大小是 8 字节的倍数，因此可能会有一些填充字节。

数组长度有上限

在Java中，数组的长度是一个非负的int值。这意味着数组的最大长度是Integer.MAX_VALUE，即 2147483647。这是因为int类型的数据范围是从 -2^31 到 2^31 - 1，但长度不能为负数，所以数组的最大长度为 2^31 - 1，在大多数场景已经够用了。

5.1.3. 示例

1、long[5]

假设我们有一个长度为5的long数组：

long[] longArray = new long[5];

内存结构如下：

| 对象头 (12字节) | 数组长度 (4字节) | 元素1 (8字节) | 元素2 (8字节) | 元素3 (8字节) | 元素4 (8字节) | 元素5 (8字节) |

具体内存占用：

对象头：12 bytes
数组长度字段：4 bytes
数组元素：8 bytes * 5 = 40 bytes
对齐填充：0 bytes

总内存占用：12 + 4 + 40 = 56 bytes

2、Long[5]

假设我们有一个长度为5的Long数组：

Long[] longArray = new Long[5];

内存结构如下：

| 对象头 (12字节) | 数组长度 (4字节) | 元素1 (4字节) | 元素2 (4字节) | 元素3 (4字节) | 元素4 (4字节) | 元素5 (4字节) |

具体内存占用：

对象头：12 bytes
数组长度字段：4 bytes
数组元素：4 bytes * 5 = 20 bytes
对齐填充：4 bytes

总内存占用：12 + 4 + 20 = 40 bytes

5.2. String

以下是String类在JDK 8中的简化定义：

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    private final char[] value; // 实际存储字符串的字符数组
    private int hash;           // 缓存的哈希码
    // 构造器和其他方法省略
}

5.2.1. 内存结构

对象头 (Object Header)：
- Mark Word：通常是 8 字节，用于存储对象的哈希码、GC 状态、锁状态等信息。
- Class Pointer：通常是 4 字节或 8 字节（取决于 JVM 是否开启压缩指针），指向对象的类元数据。
char[] value：用于存储字符串的字符数据。不过数组是对象，这里存储的是引用类型的指针，所以固定为 4 字节。
int hash：缓存字符串的哈希码，用于提高哈希操作的效率。int类型 4 字节。
对齐填充 (Padding)：JVM 要求对象大小是 8 字节的倍数，因此可能会有一些填充字节。

String对象内存固定

由上可知，无论 String 存储的值是什么，String对象 的内存固定为 24 bytes。真正可变的，是 char[] 数组占用的内存大小。

另外前面说过数组最大长度是 2^31 - 1，这决定了 String 能存储的最大字符串长度也是有限制的，其实也够了。由于每个char占用2字节，因此存储接近最大长度的字符串需要接近4GB的内存，仅用于存储字符数组。

5.2.2. 示例

1、Hello World

我们看看 "Hello World" 这个字符串占用内存数。

    private static Object getObject() {
        return "Hello World";
    }

首先算 String 对象 的内存：

对象头：12 bytes
char[] value：数组的引用指针，4 bytes。
int hash：int类型 4 bytes。
对齐填充：4 bytes

String 对象 的内存为 24 bytes。

再计算 char[] 数组对象 的内存：

对象头：12 bytes
数组长度字段：4 bytes
数组元素：char 类型每个元素 2 bytes，2 bytes * 11 = 22 bytes
对齐填充：2 bytes

char[] 数组对象 的内存为 40 bytes

因此总内存占用为 64 bytes（24 bytes + 40 bytes）

6. 常量池

6.1. 整数常量池

先看总结：

Integer、Long、Byte、Short：这些类在范围 -128 到 127 之间提供缓存机制，通过valueOf方法返回缓存中的对象。
Float和Double：没有提供类似的缓存机制，每次创建都会生成新的对象。
Character：在范围 0 到 127 之间提供缓存机制。

示例1

Java提供了对于某些范围内的整数进行缓存的机制，这个范围通常是-128到127。这个机制是在JVM启动时通过IntegerCache类实现的。

如果值在-128到127之间，会返回缓存中的对象，而不是创建一个新的对象。

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class MemoryObj {
    private Integer attr1;
    private Integer attr2;
}

    private static Object getObject() {
        return new MemoryObj(127,127);
    }

MemoryObj 对象内存为24 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：2个指向 Integer 对象的指针，4 bytes * 2 = 8 bytes
对齐填充：4 bytes

Integer 对象内存为16 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：int 值 4 bytes
对齐填充：0 bytes

因为 Integer 的值没有超过 127，所以两个属性的指针都指向常量池内同一个对象，所以总内存为：40 bytes（24 bytes + 16 bytes）

示例2


    private static Object getObject() {
        return new MemoryObj(128,128);
    }

因为 Integer 的值超过了 127，所以每次都需要创建一个新的对象，所以总内存为：56 bytes（24 bytes + 16 bytes * 2）

6.2. 字符串常量池

字符串常量池是Java中专门用于存储字符串字面量的区域，在元空间（JDK 1.7及之后）中。

有2种方式可以使用字符串常量池：

字符串字面量：在编译时确定的字符串，例如 "hello"。
Interned字符串：通过调用 String.intern() 方法显式加入池中的字符串。

特点

字符串常量池中的字符串是不可变的。
如果一个字符串已经存在于常量池中，创建相同字符串时不会再分配新的内存。

public class StringPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "hello";
        String str2 = "hello";
        System.out.println(str1 == str2); // 输出 true

        String str3 = new String("hello");
        String str4 = str3.intern();
        System.out.println(str1 == str4); // 输出 true
    }
}

示例1

@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
public class MemoryObj {
    private String attr1;
    private String attr2;
}

    private static Object getObject() {
        return new MemoryObj("hello","hello");
    }

MemoryObj 对象内存为24 bytes：

对象头：12 bytes
实例数据：2个指向 String 对象的指针，4 bytes * 2 = 8 bytes
对齐填充：4 bytes

String 对象 的内存之前已经说过了，固定为 24 bytes。

最后计算 char[] 数组对象 的内存：

对象头：12 bytes
数组长度字段：4 bytes
数组元素：char 类型每个元素 2 bytes，2 bytes * 5 = 10 bytes
对齐填充：6 bytes

char[] 数组对象 的内存为 32 bytes

由于2个字符串都是在编译时确定的，而且相同，所以两个属性的指针指向字符串常量池同一个对象，总内存为：80 bytes（24 bytes + 24 bytes + 32 bytes）

示例2

        private static Object getObject() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            String attr1 = new String("hell" + i);
            String attr2 = "hell0";
            return new MemoryObj(attr1, attr2);
        }
        return null;
    }

虽然我们知道输出的结果一定是两个 hell0 字符串属性，但因为在编译时确定不了（引入了变量i），所以 attr1 的值不会进入常量池，从而 attr2 需要重新场景。
这里我们手动创建的2个String对象，所以总内存为：136 bytes（24 bytes + 24 bytes 2 + 32 bytes 2）

示例3

       private static Object getObject() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            String attr1 = new String("hell" + i);
            attr1.intern();
            String attr2 = "hell0";
            return new MemoryObj(attr1, attr2);
        }
        return null;
    }

这里我们手动将 attr1 加入常量池，这样 attr2 就直接从常量池中读数据了。

这里我们手动创建的2个String对象，所以总内存为：80 bytes（24 bytes + 24 bytes + 32 bytes）

了解代码中的内存占用

1. 前言

2. 对象内存-基本

2.1. 内存结构

2.2. 测试工具

2.3. 空对象内存1

2.4. 空对象内存2

2.5. 空对象内存3

3. 基本数据类型及包装类内存

3.1. 基本数据类型

3.2. 包装类

4. 对象内存-类属性

4.1. 类属性1-引用

4.2. 类属性2-null

4.3. 类属性3-多引用

5. 特殊对象

5.1. 数组

5.1.1. 数组也是类

5.1.2. 内存结构

5.1.3. 示例

5.2. String

5.2.1. 内存结构

5.2.2. 示例

6. 常量池

6.1. 整数常量池

6.2. 字符串常量池

KerryWu

引用和评论

Java开发搭配Groovy

使用WinDbg调试.net3.5（基于.net2.0)的iis网站程序CPU过高及内存过高的问题