【JVM】底层实现（一）：浅谈 OOP-Klass 对象模型

2024-04-02 09:14:10

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…

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：

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：

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

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？

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，
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”);
    }
}

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…)。
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。
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）。
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。
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。
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。

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1.OOP-Klass 模型概述

2.OOP是什么？

3.Klass是什么？

4.总结

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