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类指针压缩空间

article 2024/11/15 9:00:39

一、类指针压缩介绍

压缩指针，指的是在 64 位的机器上，使用 32 位的指针来访问数据（堆中的对象或 Metaspace 中的元数据）的一种方式。

对象头中的 Class Pointer 默认占 8 个字节，开启 -XX:+UseCompressedOops 后，为了节省空间压缩为 4 个字节，Java 堆中对象指针会被压缩成 32 位，使用堆基地址（如果堆在低 26G 内存中的话，基地址为 0）。如果堆内存超过 32GB（JVM 是 8 字节对齐），那么压缩指针会失效，因为 32G 内存后，压缩就没有多大必要了，要管理那么大的内存指针也需要很大的宽度。在堆内存小于 32G 时，可以通过编码、解码方式进行优化，使得 JVM 可以支持更大内存配置。当堆内存空间大于 32G 时，压缩指针参数可能会失效，会强制使用 64 位（即 8 字节）来对 Java 对象寻址了。

#开启指针压缩：
-XX:+UseCompressedOops
#关闭指针压缩：
-XX:-UseCompressedOops

但是这个 32GB 是和字节对齐大小相关的，也就是 -XX:ObjectAlignmentInBytes 配置的大小（默认是 8 字节，Java 默认是 8 字节对齐）。-XX:ObjectAlignmentInBytes 可以设置为 8 的整数倍，最大 128，如果设为 24，那么配置最大的堆内存超过 96GB 压缩之指针会失效。

二、_mark 和 _klass 指针

JVM 中，每个对象都有一个指向它自身类的指针，不过这个指针只是指向具体的实现类，而不是接口或者抽象类。只有是 64 位平台上启用了类指针压缩才会存在这个区域。对于 64 位平台，为了压缩 JVM 对象中的 _klass 指针的大小，引入类指针压缩空间（Compressed Class Pointer Space）

_mark：mark word 一组标记，描述了对象的状态，包括对象默认哈希值（如果没有覆盖默认的 hashCode 方法，则哈希值在 hashCode 方法被调用之后，会被记录到 MarkWord 之中）、对象的形状（是否是数组）、锁状态（偏向锁等锁信息，偏向锁在 Java 15 中废弃：Disable and Deprecate Biased Locking）、数组长度（如果标记显示这个对象是数组，描述了数组的长度）。MarkWord 的实现仅仅包含一个 uintptr_t 类型，所以，在 32 位和 64 位虚拟机上面，大小分别是 4 字节和 8 字节。

_klass：是指向对象实现的 Class 的指针。JDK7 之前指向的区域位于持久带（Permanent Generation），JDK8 之后，永久代带废弃，引入了元数据区的概念（Metaspace），所以 JDK8 之后指向的是这个元数据区。这个指针可能是被压缩的，即压缩指针（Compressed OOPs）。当开启对象压缩时占用 4 字节（JVM默认开启），关闭时占用 8 字节

class oopDesc {
    private:
    volatile markWord _mark; // 对象头 mark word
    union _metadata {
        Klass*      _klass; // 类型指针：执行类的指针
        narrowKlass _compressed_klass;
    } _metadata;
}

class markWord {
 private:
  uintptr_t _value;
}

32 位的 JVM：
1. _mark：4 字节。mark word
2. _klass：4 字节。指向类的指针，对象的内存布局中的第二个字段（_klass，在 32 位 JVM 中，相对对象内存的位置的偏移量是 4，64 位的是 8）指向的是内存中对象的类定义
64 位的 JVM：
1. _mark：8 字节
2. _klass：8 字节
开启了指针压缩的 64 位的 JVM：
1. _mark：8 字节
2. _klass：4 字节

三、类指针压缩空间

JDK1.8 移除了 permanent generation，class metadata 存储在 native memory （meta space）中，其大小默认是不受限的，可以通过 -XX:MaxMetaspaceSize 来限制。

在 JVM 使用 -XX:+UseCompressedClassPointers 和 -XX:+UseCompressedOops 开启 Compressed Class 的功能后，会在 Metaspace 中开辟出一块新的空间（Compressed Class Space），这个空间不足会出现了 OOM，可以通过设置 -XX:CompressedClassSpaceSize（默认值为1G）的大小或者 -XX:-UseCompressedClassPointers 来关闭该功能。

如果开启了-XX:+UseCompressedOops 及 -XX:+UseCompressedClassesPointers（默认开启），则UseCompressedOops 会使用 32-bit 的 offset 来代表 java object 的引用，而 UseCompressedClassPointers 则使用32-bit 的 offset 来代表 64-bit 进程中的 class pointer。可以使用 CompressedClassSpaceSize 来设置这块的空间大小，CompressedClassSpace 分配在 MaxMetaspaceSize 里头，即 MaxMetaspaceSize = CompressedClassSpaceSize + Metaspace area (excluding the Compressed Class Space) Size，压缩指针后的内存布局：

指针压缩概要

64 位平台上默认打开
使用 -XX:+UseCompressedOops 压缩对象指针
1. oops 指的是普通对象指针（ordinary object pointer）
2. Java 堆中对象指针会被压缩成 32 位
3. 使用堆基地址（如果堆内存低于 26G 时，基地址为 0），即指针的偏移量针对于堆的基地址
使用 -XX:+UseCompressedClassPointers 选项来压缩类指针
1. 对象中指向类元数据的指针会被压缩成32位
2. 使用类指针压缩空间的基地址

四、元空间和类指针压缩空间的区别

类指针压缩空间只包含类的元数据，比如 InstanceKlass, ArrayKlass 仅当打开了 UseCompressedClassPointers 选项才生效。为了提高性能，Java 中的虚方法表也存放到这里。元空间包含类的其它比较大的元数据，比如方法，字节码，常量池（类常量池、运行时常量池）等。

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