Java 中的填充

10 Sept 2024 | 4 分钟阅读

Java 是一种多功能编程语言，以其在管理各种数据结构方面的灵活性而闻名。Java 中一个关键的概念，称为填充（padding），在管理内存、有效地对齐记录和优化数据处理方面起着至关重要的作用。在本节中，我们将讨论 **什么是填充**、它为什么重要以及如何在 Java 中有效地应用它。为了确保可读性，我们将提供带解释的示例，逐级指导您完成该主题。

Java 中的填充是什么？

在 Java 的上下文中，填充是一种用于确保数据结构，特别是数组和对象，在内存中正确对齐的机制。这种对齐对于高效的内存访问和整体系统性能至关重要，因为不对齐的数据可能导致执行速度变慢，甚至在某些计算机体系结构上导致错误。

填充的必要性源于计算机组织和访问内存的方式。许多计算机系统要求将特定的数据类型，例如整数和浮点数，位于特定的内存地址，以便高效检索。当数据未正确对齐时，由于需要多次内存访问才能获取未对齐的数据，可能会导致性能瓶颈。

在 Java 中，填充的创建通常由编译器和 Java 虚拟机 (JVM) 自动处理。但是，了解填充的工作原理以及如何操纵它对于优化内存利用率和提高 Java 程序的整体性能非常有益。

数组中的填充

让我们从检查 Java 中数组如何应用填充开始。为此，我们将使用一个整数数组创建一个简单的示例。

ArrayPaddingExample.java

public class ArrayPaddingExample {
    public static void main(String[] args) {
        int[] numbers = new int[5];       
        numbers[0] = 10;
        numbers[1] = 20;
        numbers[2] = 30;
        numbers[3] = 40;
        numbers[4] = 50;        
        System.out.println("Size of int: " + Integer.BYTES);
        System.out.println("Size of int array: " + (numbers.length * Integer.BYTES));
    }
}

输出

Size of int: 4
Size of int array: 20

在这种情况下，我们创建一个长度为 5 的整数数组。我们用值填充数组，然后计算并打印单个 int 的大小以及整个 int 数组的大小。

在输出中，我们可以看到单个 int 的大小是 4 字节，int 数组的大小是 20 字节。

这是因为 JVM 会自动引入填充，以确保数组中的每个 int 都对齐到 4 字节的倍数。因此，数组的长度不只是元素数量与每个元素大小的乘积。

对象中的填充

填充不仅限于数组；它也适用于对象。Java 中的对象可能会添加填充，以确保其字段正确对齐。让我们看一个关于简单类的示例。

虽然填充通常由 JVM 自动引入以进行数据对齐，但在某些情况下，您可能需要更好地控制填充，以优化内存利用率或 Java 与外部系统之间的数据传输。

在这种情况下，我们可以使用特定的策略来控制填充。使用 @Contended 注释：Java 提供了 @Contended 注释来控制填充。该注释可以应用于字段，以指示它们应该被争用并与其他字段分开，

ObjectPaddingExample.java

class Student {
    int id;
    String name;
}
public class ObjectPaddingExample {
    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student();      
        System.out.println("Size of int: " + Integer.BYTES);
        System.out.println("Size of String: " + "Not a constant value");
        System.out.println("Size of Student object: " + getObjectSize(student));
    }
    // Method to calculate the size of an object
    public static long getObjectSize(Object obj) {
        ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
        ObjectOutputStream objectOutputStream;
        try {
            objectOutputStream = new ObjectOutputStream(byteArrayOutputStream);
            objectOutputStream.writeObject(obj);
            objectOutputStream.flush();
            objectOutputStream.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return byteArrayOutputStream.toByteArray().length;
    }
}

输出

Size of int: 4
Size of String: Not a constant value
Size of Student object: 37

字符串中的填充

字符串在 Java 编程中至关重要，因此也面临填充的考虑。字符串是字符序列，它们的内存表示涉及各种考虑因素，包括对齐。

StringPaddingExample.java

public class StringPaddingExample {
    public static void main(String[] args) {
        String text = "Hello, Java!";
        System.out.println("Size of char: " + Character.BYTES);
        System.out.println("Size of String: " + getStringSize(text));
    }
    // Method to calculate the size of a String
    public static long getStringSize(String str) {
        return str.length() * Character.BYTES; // Assuming each character requires 2 bytes
    }
}

输出

Size of char: 2
Size of String: 24

在此示例中，我们通过考虑单个字符的大小来探索字符串的大小，并计算字符串的总大小。

这里，我们假设每个字符需要 2 字节，导致字符串的大小为 24 字节。这表明，与数组和对象一样，字符串也涉及对齐和填充的考虑。

下一个主题Java 中传递和返回对象

Java 中的填充