深入探究 JVM | klass-oop对象模型研究

Java

最近对 JVM 兴趣大增（其实是想回归C艹的怀抱了）~

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，它们的源码位于 openjdk-8/openjdk/hotspot/src/share/vm/oops 文件夹内。

注：本文对应的 OpenJDK 版本为 openjdk-8u76-b02。对于不同的版本(openjdk-7, openjdk-8, openjdk-9)，其对应的 HotSpot JVM 的对象模型有些许差别（7和8的差别比较大）

oop-klass model 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 model。

当时第一次看到 oop，我的第一反应就是 object-oriented programming，其实这里的 oop 指的是 Ordinary Object Pointer（普通对象指针），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。

体系总览

在 oopsHierarchy.hpp 里定义了 oop 和 klass 各自的体系。

这是oop的体系：

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typedef class oopDesc*                            oop;
typedef class   instanceOopDesc*            instanceOop;
typedef class   arrayOopDesc*                    arrayOop;
typedef class     objArrayOopDesc*            objArrayOop;
typedef class     typeArrayOopDesc*            typeArrayOop;

注意由于 Java 8 引入了 Metaspace，OpenJDK 1.8 里对象模型的实现与 1.7 有很大的不同。原先存于 PermGen 的数据都移至 Metaspace，因此它们的 C++ 类型都继承于 MetaspaceObj 类(定义见 vm/memory/allocation.hpp)，表示元空间的数据。

这是元数据的体系：

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// The metadata hierarchy is separate from the oop hierarchy
//      class MetaspaceObj
class   ConstMethod;
class   ConstantPoolCache;
class   MethodData;
//      class Metadata
class   Method;
class   ConstantPool;
//      class CHeapObj
class   CompiledICHolder;

这是 klass 的体系：

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// The klass hierarchy is separate from the oop hierarchy.
class Klass;
class   InstanceKlass;
class     InstanceMirrorKlass;
class     InstanceClassLoaderKlass;
class     InstanceRefKlass;
class   ArrayKlass;
class     ObjArrayKlass;
class     TypeArrayKlass;

注意 klass 代表元数据，继承自 Metadata 类，因此像 Method、ConstantPool 都会以成员变量（或指针）的形式存在于 klass 体系中。

以下是 JDK 1.7 中的类在 JDK 1.8 中的存在形式：

  • klassOop -> Klass*
  • klassKlass 不再需要
  • methodOop -> Method*
  • methodDataOop -> MethodData*
  • constMethodOop -> ConstMethod*
  • constantPoolOop -> ConstantPool*
  • constantPoolCacheOop -> ConstantPoolCache*

klass

一个 Klass 对象代表一个类的元数据（相当于 java.lang.Class 对象）。它提供：

  • language level class object (method dictionary etc.)
  • provide vm dispatch behavior for the object

所有的函数都被整合到一个 C++ 类中。

Klass 对象的继承关系：xxxKlass <:< Klass <:< Metadata <:< MetaspaceObj

klass 对象的布局如下：

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//  Klass layout:
//    [C++ vtbl ptr  ] (contained in Metadata)
//    [layout_helper ]
//    [super_check_offset   ] for fast subtype checks
//    [name          ]
//    [secondary_super_cache] for fast subtype checks
//    [secondary_supers     ] array of 2ndary supertypes
//    [primary_supers 0]
//    [primary_supers 1]
//    [primary_supers 2]
//    ...
//    [primary_supers 7]
//    [java_mirror   ]
//    [super         ]
//    [subklass      ] first subclass
//    [next_sibling  ] link to chain additional subklasses
//    [next_link     ]
//    [class_loader_data]
//    [modifier_flags]
//    [access_flags  ]
//    [last_biased_lock_bulk_revocation_time] (64 bits)
//    [prototype_header]
//    [biased_lock_revocation_count]
//    [_modified_oops]
//    [_accumulated_modified_oops]
//    [trace_id]

oop

oop 类型其实是 oopDesc*。在 Java 程序运行的过程中，每创建一个新的对象，在 JVM 内部就会相应地创建一个对应类型的 oop 对象。各种 oop 类的共同基类为 oopDesc 类。

在 JVM 内部，一个 Java 对象在内存中的布局可以连续分成两部分：instanceOopDesc 和实例数据。instanceOopDesc 和 arrayOopDesc 又称为 对象头。

instanceOopDesc 对象头包含两部分信息：Mark Word 和 元数据指针(Klass*)：

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volatile markOop  _mark;
  union _metadata {
    Klass*      _klass;
    narrowKlass _compressed_klass;
  } _metadata;

分别来看一下：

  • Mark Word：instanceOopDesc 中的 _mark 成员，允许压缩。它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。
  • 元数据指针：instanceOopDesc 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。对应的 klass 指针指向一个存储类的元数据的 Klass 对象。

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。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（相当于 Java 层的 Class 对象）。到初始化的时候（执行 invokespecial A::<init>），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，并填充实例变量。

根据对 JVM 的理解，我们可以想到，元数据—— instanceKlass 对象会存在元空间（方法区），而对象实例—— instanceOopDesc 会存在 Java 堆。Java 虚拟机栈中会存有这个对象实例的引用。

参考文档

本文标题:深入探究 JVM | klass-oop对象模型研究

文章作者:sczyh30

发布时间:2016年01月06日

原始链接:http://www.sczyh30.com/posts/Java/jvm-klass-oop/

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文章目录
  1. 1. oop-klass model 概述
  2. 2. 体系总览
  3. 3. klass
  4. 4. oop
  5. 5. 参考文档