【JVM】底层实现（一）：浅谈 OOP-Klass 对象模型

r囧r小猫 2022-12-17 07:26 127阅读 0赞

当我们在写 Java 代码的时候，我们会面对着无数个接口，类，对象和方法。但我们有木有想过，Java 中的这些对象、类和方法，在 HotSpot JVM 中的结构又是怎么样呢？HotSpot JVM 底层都是 C++ 实现的，那么 Java 的对象模型与 C++ 对象模型之间又有什么关系呢？今天就来分析一下 HotSpot JVM 中的对象模型：oop-klass model。

### 1.OOP-Klass 模型概述 ###

HotSpot JVM 并没有根据 Java 实例对象直接通过虚拟机映射到新建的 C++ 对象，而是设计了一个 oop-klass 模型。oop 指的是 **Ordinary Object Pointer**（普通对象指针，指向被创建的对象，具体通过什么结构创建对象请向下看…），它用来表示对象的实例信息，看起来像个指针实际上是藏在指针里的对象；而 klass 则包含元数据和方法信息，用来描述 Java 类。

那么为何要设计这样一个一分为二的对象模型呢？这是因为 HotSopt JVM 的设计者不想让每个对象中都含有一个 vtable（虚函数表），所以就把对象模型拆成 klass 和 oop，其中 oop 中不含有任何虚函数，而 klass 就含有虚函数表，可以进行 method dispatch。这个模型其实是参照的 Strongtalk VM 底层的对象模型。

> 注：以下C++代码参考自[这篇文章][Link 1]…

### 2.OOP是什么？ ###

在 Java 程序运行的过程中，每创建一个新的实例对象，在 JVM 内部就会相应地创建一个对应类型的 oop 对象。oop体系如下：

//定义了oops共同基类
    typedef class   oopDesc*                            oop;
    //表示一个Java类型实例
    typedef class   instanceOopDesc*            instanceOop;
    //表示一个Java方法
    typedef class   methodOopDesc*                    methodOop;
    //表示一个Java方法中的不变信息
    typedef class   constMethodOopDesc*            constMethodOop;
    //记录性能信息的数据结构
    typedef class   methodDataOopDesc*            methodDataOop;
    //定义了数组OOPS的抽象基类
    typedef class   arrayOopDesc*                    arrayOop;
    //表示持有一个OOPS数组
    typedef class   objArrayOopDesc*            objArrayOop;
    //表示容纳基本类型的数组
    typedef class   typeArrayOopDesc*            typeArrayOop;
    //表示在Class文件中描述的常量池
    typedef class   constantPoolOopDesc*            constantPoolOop;
    //常量池告诉缓存
    typedef class   constantPoolCacheOopDesc*   constantPoolCacheOop;
    //描述一个与Java类对等的C++类
    typedef class   klassOopDesc*                    klassOop;
    //表示对象头
    typedef class   markOopDesc*                    markOop;

上面是整个oops模块的组成结构，其中包括多个子模块，每个子模块对应一个类型，每个类型的oop都代表一个在JVM内部使用的特定对象的类型。比如 **instanceOopDesc** 表示类实例，arrayOopDesc 表示数组。也就是说，当我们用new创建一个Java对象实例的时候，JVM会创建一个 instanceOopDesc 对象来表示这个Java对象。同理，对于数组实例则是 arrayOopDesc。

而各种 oop 类的共同基类为 **oopDesc** 类：

class oopDesc {
        
      friend class VMStructs;
      private:
          volatile markOop  _mark; // 对象头
          union _metadata {
        
            wideKlassOop    _klass;//普通指针
            narrowOop       _compressed_klass;//压缩类指针
          } _metadata;
    
      private:
          // field addresses in oop
          void*     field_base(int offset)        const;
    
          jbyte*    byte_field_addr(int offset)   const;
          jchar*    char_field_addr(int offset)   const;
          jboolean* bool_field_addr(int offset)   const;
          jint*     int_field_addr(int offset)    const;
          jshort*   short_field_addr(int offset)  const;
          jlong*    long_field_addr(int offset)   const;
          jfloat*   float_field_addr(int offset)  const;
          jdouble*  double_field_addr(int offset) const;
          address*  address_field_addr(int offset) const;
    }
    
    
    class instanceOopDesc : public oopDesc {
        
    }
    
    class arrayOopDesc : public oopDesc {
        
    }

instanceOopDesc主要包含markOop \_mark和union \_metadata，实例数据则保存在oopDesc中定义的各种field中。

> 1.**Mark Word**：用于存储对象的运行时记录信息，如哈希值、GC 分代年龄(Age)、锁状态标志（偏向锁、轻量级锁、重量级锁）、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等。  
> 2.**元数据指针**：`OopDesc` 中的 `_metadata` 成员，它是联合体，可以表示未压缩的 Klass 指针(`_klass`)和压缩的 Klass 指针（narrowOop）。对应的 klass 指针指向一个存储类的元数据的 Klass 对象。

下图是一个对象头的示例：![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

### 3.Klass是什么？ ###

一个 Klass 对象代表一个类的元数据（与Class对象什么关系呢？向下看…）。klass体系如下：

//klassOop的一部分，用来描述语言层的类型
    class  Klass;
    //在虚拟机层面描述一个Java类
    class   instanceKlass;
    //专有instantKlass，表示java.lang.Class的Klass
    class     instanceMirrorKlass;
    //专有instantKlass，表示java.lang.ref.Reference的子类的Klass
    class     instanceRefKlass;
    //表示methodOop的Klass
    class   methodKlass;
    //表示constMethodOop的Klass
    class   constMethodKlass;
    //表示methodDataOop的Klass
    class   methodDataKlass;
    //最为klass链的端点，klassKlass的Klass就是它自身
    class   klassKlass;
    //表示instanceKlass的Klass
    class     instanceKlassKlass;
    //表示arrayKlass的Klass
    class     arrayKlassKlass;
    //表示objArrayKlass的Klass
    class       objArrayKlassKlass;
    //表示typeArrayKlass的Klass
    class       typeArrayKlassKlass;
    //表示array类型的抽象基类
    class   arrayKlass;
    //表示objArrayOop的Klass
    class     objArrayKlass;
    //表示typeArrayOop的Klass
    class     typeArrayKlass;
    //表示constantPoolOop的Klass
    class   constantPoolKlass;
    //表示constantPoolCacheOop的Klass
    class   constantPoolCacheKlass;

Klass类是其他 klass类型的父类：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
JVM在运行时，需要一种用来标识Java内部类型的机制。HotSpot的解决方案是，为每一个已加载的Java类创建一个**instanceKlass**对象，用来在JVM层表示Java类。

//类拥有的方法列表
      objArrayOop     _methods;
      //描述方法顺序
      typeArrayOop    _method_ordering;
      //实现的接口
      objArrayOop     _local_interfaces;
      //继承的接口
      objArrayOop     _transitive_interfaces;
      //域
      typeArrayOop    _fields;
      //常量
      constantPoolOop _constants;
      //类加载器
      oop             _class_loader;
      //protected域
      oop             _protection_domain;
          ....

**Class 对象**

问题：Klass（InstanceKlass） 与 Class 对象有什么关系？

我们知道，类数据这样的一个结构体实例也是一个对象，这个对象存在了方法区里。但是这个类数据对象即 InstanceKlass 是给VM内部用的，并不直接暴露给 Java 层。

在 HotSpot VM 里，java.lang.Class 的实例被称为“Java mirror”，意思是它是 VM 内部用的 klass 对象的“**镜像**”；作用是把 InstanceKlass 对象包装了一层来暴露给 **Java 层**(开发者)使用，但主要用途是提供**反射**访问；创建时机时**加载->连接->初始化** 的初始化阶段。

*  每个 Java 对象的对象头里，**\_klass** 字段会指向一个VM内部用来记录类的元数据用的 InstanceKlass 对象
 *  insanceKlass里有个 **\_java\_mirror** 字段（见上），指向该类所对应的Java镜像——java.lang.Class实例
 *  另外，HotSpot VM会给 Class 对象注入一个隐藏字段“**klass**”，用于指回到其对应的 InstanceKlass 对象。这样，klass与mirror之间就有**双向引用**，可以来回导航

所以，当我们写 obj.getClass()，在 HotSpot VM 里实际上经过了两层间接引用才能找到最终的 Class 对象

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

> PS：在Oracle JDK7之前，Oracle/Sun JDK 的 HotSpot VM 把Java类的**静态变量**存在 InstanceKlass 结构的末尾；从Oracle JDK7开始，为了配合 PermGen 移除的工作，Java 类的静态变量被挪到 Java mirror（Class对象）的末尾了。

### 4.总结 ###

*  JVM 在加载 class 时，会创建 instanceKlass，用来在JVM层表示该Java类，包括常量池、字段、方法等，存放在方法区；
 *  我们在Java代码中 new 一个对象时，JVM会创建一个instanceOopDesc实例来表示这个对象，存放在堆区，其引用，存放在栈区；这个对象中包含了两部分信息，对象头和元数据。对象头有一些运行时的数据，其中就包括跟多线程相关的锁的信息。元数据维护的是指针，指向的是对象所属的类的instanceKlass。
 *  HotSpot 并不把 instanceKlass 暴露给 Java，而会另外创建对应的 instanceOopDesc 来表示 java.lang.Class 对象，并将后者称为前者的“Java镜像”，klass 持有指向 oop 引用(\_java\_mirror 便是该 instanceKlass对Class对象的引用)；

下面我们来分析一下，执行 new A() 的时候，JVM native 层里发生了什么？

1.  首先，如果这个类没有被加载过，JVM 就会进行类的加载，并在 JVM 内部创建一个 instanceKlass 对象表示这个类的运行时元数据，
2.  new A() 时（执行 invokespecial A::），JVM 就会创建一个 instanceOopDesc 对象表示这个对象的实例，然后进行 Mark Word 的填充，将元数据指针指向 Klass 对象（KlassPointer），并填充实例变量。

==> 结合JVM分析以下代码执行过程：

public class Test{
        
        public static void main(String[] args) {
        
          Person person = new Person();
          person.setName(“张三”);
        }
    }

1.  编译并运行 Test.Class，随后被加载到JVM的元空间，在那存储着类的信息(包括类的名称、方法信息、字段信息…)。
2.  JVM找到 Test 的主函数入口(main)，为 main 函数创建栈帧，开始执行 main 函数。
3.  main函数的第一条语句是 `Person person = new Person()`，就是让JVM创建一个 Person 对象，但是这时候方法区中没有 Person 类的信息，所以JVM马上加载 Person 类，把 Person 类的类型信息放到方法区中(元空间)，即创建 instanceKlass 对象；同时，在堆上会自动构造一个镜像的 Class 对象提供反射访问（它和 instanceKlass 持有着双向引用）。
4.  加载完 Person 类之后，JVM 会为一个新的 Person 实例分配内存, 然后调用构造函数初始化 person 实例，即在堆上创建一个 instanceOopDesc 实例，并返回该实例的指针OOP到栈空间对应线程。
5.  当执行 `person.setName("张三")`的时候，JVM 首先根据 person 引用找到 person 对象；因为这个 person 实例**持有着指向方法区的 Person 类的类型信息的引用**（其中包含有方法表，java动态绑定的底层实现等），所以接下来，通过 KlassPointer 定位到方法区中 Person 类的类型信息的方法表，获得`setName()`函数的字节码的地址。
6.  根据方法表中内容，在虚拟机栈为`setName()`函数创建栈帧，开始运行`setName()`函数。

[Link 1]: http://yizhanggou.top/untitled-2/
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221123/ad11c154be3b4f34b823fc20c8234a48.png
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