Java 19 中压缩指针与压缩类指针的独立性解析

本文深入探讨了OpenJDK 19中压缩指针（Oops）和压缩类指针的工作原理，并解释了为何在处理大堆内存时，Java 19相比Java 11能实现更小的内存占用。核心在于JDK 15引入的改变，使得压缩类指针不再依赖于压缩对象指针的启用状态，从而即使在堆内存超过32GB导致压缩对象指针失效时，类指针仍能保持压缩状态，有效优化了内存布局。

理解Java中的压缩指针

java虚拟机（jvm）为了优化内存使用，引入了“压缩普通对象指针”（compressed ordinary Object pointers，简称compressed oops）机制。当java堆内存大小在一定阈值（通常是32gb）以下时，jvm会将原本需要8字节的64位对象引用（指针）压缩为4字节，从而显著减少内存消耗并提高缓存效率。然而，一旦堆内存超过32gb，compressed oops通常会被禁用，对象引用将恢复为8字节。

用户观察到在OpenJDK 19中，即使堆内存设置为41GB（超过32GB阈值），某些对象（如byte[]或java.lang.Object实例）的内存占用仍然低于Java 11，这与预期中8字节引用的行为不符，引发了对Java 19中压缩指针机制的疑问。

压缩类指针的独立性：JDK 15的关键改进

经过深入分析，发现此差异并非源于对象引用（Oops）的压缩，而是由于压缩类指针（Compressed class Pointers）的行为变化。

在JDK 15之前，UseCompressedClassPointers选项（用于压缩对象头中的类元数据指针）与UseCompressedOops选项是隐式绑定的。这意味着，如果由于堆内存过大而导致UseCompressedOops被禁用，那么UseCompressedClassPointers也会作为副作用一同被禁用。在这种情况下，对象头中指向类元数据的指针将从4字节扩展为8字节，从而增加对象的整体大小。

然而，从JDK 15开始，OpenJDK通过JDK-8241825这一改进，解除了UseCompressedOops和UseCompressedClassPointers之间的依赖关系。这意味着，即使在堆内存超过32GB，UseCompressedOops被禁用，导致堆内对象引用为8字节时，UseCompressedClassPointers仍然可以独立地保持启用状态，使得对象头中的类指针继续以4字节的形式存在。

立即学习“Java免费学习笔记（深入）”；

示例分析：Object[]的内存布局对比

为了更清晰地展示这一变化，我们可以使用JOL（Java Object Layout）工具来分析一个Object数组的内存布局。以下是在不同JDK版本和41GB堆内存配置下，new Object[3]的内存布局对比：

JDK 15 之前的版本（例如Java 11，堆大小41GB）：

[Ljava.lang.Object; object internals: OFF  SZ               TYPE DESCRIPTION               VALUE   0   8                    (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)   8   8                    (object header: class)    0x000001f54bec41e0  <-- 类指针为8字节  16   4                    (array length)            3  20   4                    (alignment/padding gap)  24  24   java.lang.Object Object;.<elements>        N/A  <-- 三个对象引用，每个8字节，共24字节 Instance size: 48 bytes Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total

在此输出中，可以看到object header: class字段占用了8字节。由于堆内存超过32GB，Object;.<elements>中的三个java.lang.Object引用也各占8字节，总共24字节。

JDK 15 或更新的版本（例如Java 19，堆大小41GB）：

[Ljava.lang.Object; object internals: OFF  SZ               TYPE DESCRIPTION               VALUE   0   8                    (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)   8   4                    (object header: class)    0x000020fc  <-- 类指针为4字节  12   4                    (array length)            3  16  24   java.lang.Object Object;.<elements>        N/A  <-- 三个对象引用，每个8字节，共24字节 Instance size: 40 bytes Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

在JDK 15及更新版本中，即使堆内存为41GB，object header: class字段仍能保持4字节。而数组内部的三个对象引用Object;.<elements>仍然是8字节（24字节总和），因为UseCompressedOops在这种大堆情况下是被禁用的。

通过对比可以清楚地看到，总实例大小从48字节减少到了40字节，这8字节的差异正是由类指针从8字节压缩为4字节，以及由此带来的填充字节减少所导致的。

结论与注意事项

• 核心差异点： 在OpenJDK 15及更高版本中，即使堆内存超过32GB导致压缩对象指针（Compressed Oops）失效，压缩类指针（Compressed Class Pointers）仍然可以独立启用，从而优化了对象头部的内存占用。
• 非对象引用问题： 用户最初观察到的byte[]或Object实例的内存差异，并非由于它们内部包含的对象引用大小变化（因为这些类型本身不包含堆内对象引用），而是由于其对象头中类指针大小的变化。
• 工具使用： JOL（Java Object Layout）是一个非常有用的工具，可以帮助开发者深入分析Java对象的内存布局，理解各种JVM选项对内存使用的影响。
• 性能考量： 压缩类指针的独立性进一步提升了JVM在处理大堆内存时的内存效率，减少了不必要的内存开销，对于大型java应用程序来说，这是一个重要的优化。

理解这些底层机制有助于开发者更好地优化Java应用程序的内存使用，尤其是在处理大规模数据和高并发场景时。