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億級(jí)流量架構(gòu)系列之如何支撐百億級(jí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算

作者：李瑞杰

目前就職于阿里巴巴，資深 JVM 研究人員

在 Java 程序中，我們擁有多種新建對(duì)象的方式。除了最為常見(jiàn)的 new 語(yǔ)句之外，我們還可以通過(guò)反射機(jī)制、Object.clone 方法、反序列化以及 Unsafe.allocateInstance 方法來(lái)新建對(duì)象。

其中，Object.clone 方法和反序列化通過(guò)直接復(fù)制已有的數(shù)據(jù)，來(lái)初始化新建對(duì)象的實(shí)例字段。

Unsafe.allocateInstance 方法則沒(méi)有初始化實(shí)例字段，而 new 語(yǔ)句和反射機(jī)制，則是通過(guò)調(diào)用構(gòu)造器來(lái)初始化實(shí)例字段。????? ?

?我們先來(lái)考察new語(yǔ)句，準(zhǔn)備一個(gè)類，如下圖所示

????????????? ??

讓我們編譯他的字節(jié)碼：

????? ??

可以看到，new語(yǔ)句編譯而成的字節(jié)碼將包含用來(lái)請(qǐng)求內(nèi)存的 new 指令，以及用來(lái)調(diào)用構(gòu)造器的 invokespecial 指令。????? ??

本文不是專門介紹invoke系列指令的，我會(huì)在后面的文章中介紹invoke系列指令。

不過(guò)在這里我多說(shuō)一嘴，字節(jié)碼中的invokespecial指令通常用于調(diào)用私有實(shí)例方法、構(gòu)造器，以及使用super關(guān)鍵字調(diào)用父類的實(shí)例方法或構(gòu)造器，和所實(shí)現(xiàn)接口的默認(rèn)方法。

提到構(gòu)造器，就不得不提到 Java 對(duì)構(gòu)造器的諸多約束。首先，如果一個(gè)類沒(méi)有定義任何構(gòu)造器的話， Java 編譯器會(huì)自動(dòng)添加一個(gè)無(wú)參數(shù)的構(gòu)造器。????? ??

我們剛才的TestNew類，他的字節(jié)碼編譯出來(lái)后，有下面的片段。

????? ??

在JAVA源碼中，我們沒(méi)有定義構(gòu)造器，但是生成出來(lái)的字節(jié)碼，已經(jīng)自動(dòng)幫我們添加了一個(gè)無(wú)參數(shù)的構(gòu)造器。他使用的invokespecial方法最終調(diào)用的是其父類Object類的構(gòu)造器方法。? ? ? ??

我將講述JVM的構(gòu)造器調(diào)用原則，那就是，如果子類的構(gòu)造器需要調(diào)用父類的構(gòu)造器。如果父類存在無(wú)參數(shù)構(gòu)造器的話，該調(diào)用可以是隱式的。也就是說(shuō)， Java 編譯器會(huì)自動(dòng)添加對(duì)父類構(gòu)造器的調(diào)用。

但是，如果父類沒(méi)有無(wú)參數(shù)構(gòu)造器，那么子類的構(gòu)造器則需要顯式地調(diào)用父類帶參數(shù)的構(gòu)造器。

顯式調(diào)用有兩種，一是直接使用“super”關(guān)鍵字調(diào)用父類構(gòu)造器，二是使用“this”關(guān)鍵字調(diào)用同一個(gè)類中的其他構(gòu)造器。

無(wú)論是直接的顯式調(diào)用，還是間接的顯式調(diào)用，都需要作為構(gòu)造器的第一條語(yǔ)句，以便優(yōu)先初始化繼承而來(lái)的父類字段。

可以不優(yōu)先初始化繼承來(lái)的父類字段嗎？可以，如果你能使用字節(jié)碼注入工具的話。

當(dāng)我們調(diào)用一個(gè)構(gòu)造器時(shí)，它將優(yōu)先調(diào)用父類的構(gòu)造器，直至 Object 類。這些構(gòu)造器的調(diào)用者皆為同一對(duì)象，也就是通過(guò) new 指令新建而來(lái)的對(duì)象。? ? ? ??

事實(shí)上，我上面的陳述意味著：通過(guò) new 指令新建出來(lái)的對(duì)象，它的內(nèi)存其實(shí)涵蓋了所有父類中的實(shí)例字段。

也就是說(shuō)，雖然子類無(wú)法訪問(wèn)父類的私有實(shí)例字段，或者子類的實(shí)例字段隱藏了父類的同名實(shí)例字段，但是子類的實(shí)例還是會(huì)為這些父類實(shí)例字段分配內(nèi)存的。????? ??

下面我將介紹壓縮指針技術(shù)。在 Java 虛擬機(jī)中，每個(gè) Java 對(duì)象都有一個(gè)對(duì)象頭，它由標(biāo)記字段和類型指針?biāo)鶚?gòu)成。

標(biāo)記字段用以存儲(chǔ) Java 虛擬機(jī)有關(guān)該對(duì)象的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如哈希碼、GC 信息以及鎖信息，而類型指針則指向該對(duì)象的類。????????

在64位的JVM中，對(duì)象頭的標(biāo)記字段占 64 位，而類型指針又占了 64 位。也就是說(shuō)，每一個(gè) Java 對(duì)象在內(nèi)存中的額外開(kāi)銷就是 16 個(gè)字節(jié)。????????

為了盡量較少對(duì)象的內(nèi)存使用量，64位JVM引入了壓縮指針的概念，將堆中原本64位的Java對(duì)象指針壓縮成32位的。????????

這樣一來(lái)，對(duì)象頭中的類型指針也會(huì)被壓縮成32位，使得對(duì)象頭的大小從16字節(jié)降至12字節(jié)。

當(dāng)然，壓縮指針不僅可以作用于對(duì)象頭的類型指針，還可以作用于引用類型的字段，以及引用類型數(shù)組。????? ??

它的原理是什么？答案是內(nèi)存對(duì)齊。

我們規(guī)定，默認(rèn)情況下，JVM堆中對(duì)象的起始地址需要對(duì)齊至8的倍數(shù)，如果一個(gè)對(duì)象用不到8N 個(gè)字節(jié)，那么空白的那部分空間就浪費(fèi)掉了，這些浪費(fèi)掉的空間我們稱之為對(duì)象間的填充。

大家知道，指針里面存放的是地址，由于堆中對(duì)象的起始地址是對(duì)齊至8的倍數(shù)，所以指針存放一個(gè)引用(或者對(duì)象的類)的內(nèi)存地址時(shí)，根本就不用存放最后的三位二進(jìn)制數(shù)。

因?yàn)樗袑?duì)象或類的內(nèi)存地址都對(duì)齊了8，所以他們的內(nèi)存地址的最低三位總是0，32位的指針就可以尋址到 2 的 35 次方個(gè)字節(jié)，也就是 32GB 的地址空間(超過(guò) 32GB 則會(huì)關(guān)閉壓縮指針)。

我們可以通過(guò)配置虛擬機(jī)的內(nèi)存對(duì)齊選項(xiàng)來(lái)進(jìn)一步提升尋址范圍。但是，這同時(shí)也可能增加對(duì)象間填充，導(dǎo)致壓縮指針沒(méi)有達(dá)到原本節(jié)省空間的效果。????????

就算是關(guān)閉了壓縮指針，Java 虛擬機(jī)還是會(huì)進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊。此外，內(nèi)存對(duì)齊不僅存在于對(duì)象與對(duì)象之間，也存在于對(duì)象中的字段之間。

比如說(shuō)，Java 虛擬機(jī)要求long字段、double字段，以及非壓縮指針狀態(tài)下的引用字段地址為8的倍數(shù)。????? ??

這是為什么呢？

CPU的緩存行機(jī)制大家應(yīng)該有所耳聞，如果字段不是對(duì)齊的，那么就有可能出現(xiàn)跨緩存行的字段。

該字段的讀取可能需要替換兩個(gè)緩存行，而該字段的存儲(chǔ)也會(huì)同時(shí)污染兩個(gè)緩存行。

我們將在后期文章關(guān)于volatile關(guān)鍵詞的本質(zhì)分析的過(guò)程中，再次考察到CPU緩存行的相關(guān)機(jī)制。????? ??

最后我要提一句的是，字段重排列技術(shù)，就是我剛才提到的，對(duì)象的字段之間存在的內(nèi)存對(duì)齊。這指的是重新分配字段的先后順序，以達(dá)到內(nèi)存對(duì)齊的目的

它有以下兩個(gè)規(guī)則：? ? ??

其一，如果一個(gè)字段占據(jù)C個(gè)字節(jié)，那么該字段的偏移量需要對(duì)齊至NC。這里的偏移量指的是字段地址與對(duì)象的起始地址差值。????????

以Long類為例，它僅有一個(gè)long類型的實(shí)例字段。在使用了壓縮指針的 64 位虛擬機(jī)中，盡管對(duì)象頭的大小為12個(gè)字節(jié)，該 long 類型字段的偏移量也只能是16，而中間空著的4個(gè)字節(jié)便會(huì)被浪費(fèi)掉。????????

其二，子類所繼承字段的偏移量，需要與父類對(duì)應(yīng)字段的偏移量保持一致。

說(shuō)白了，比如B繼承了A，A是B的父類，A中所有的字段，在B中都有，而且是先放A的字段，再放B的字段。而且B類對(duì)象放A類字段時(shí)，需要與父類對(duì)應(yīng)字段的偏移量保持一致。

接下來(lái)我說(shuō)一個(gè)拓展內(nèi)容吧，什么是虛共享？

假設(shè)兩個(gè)線程分別訪問(wèn)同一對(duì)象中不同的 volatile 字段，邏輯上它們并沒(méi)有共享內(nèi)容，因此不需要同步。

如果這兩個(gè)字段恰好在同一個(gè)緩存行中，那么對(duì)這些字段的寫操作會(huì)導(dǎo)致緩存行的寫回，也就造成了實(shí)質(zhì)上的共享。

Java8還引入了一個(gè)新的注釋@Contended，用來(lái)解決對(duì)象字段之間的虛共享。

Java 虛擬機(jī)會(huì)讓不同的@Contended字段處于獨(dú)立的緩存行中，因此你會(huì)看到大量的空間被浪費(fèi)掉，避免無(wú)謂的緩存行同步操作。

具體的算法屬于實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)了，大家有興趣可以去用：

-XX:-RestrictContended

這個(gè)虛擬機(jī)選項(xiàng)，查看Contended字段的內(nèi)存布局。

END

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的64位java_99.9%的Java程序员都说不清的问题：JVM中的对象内存布局？的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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