Java對象模型

Java中Object類是所有對象的父類，這是語言層面的定義。

在JVM層面，不僅Java類是對象，Java 方法也是對象， 字節(jié)碼常量池也是對象，一切皆是對象。

JVM使用不同的oop-klass模型來表示各種不同的對象。

而在技術(shù)落地時，這些不同的模型就使用不同的 oop 類（instanceoop  methodoop constmethodoop等等）和 klass 類來表示 。

由于JVM使用C/C++編寫，因此這些 oop 和 klass 類便是各種不同的C++類。

對于Java類型與實例對象，只叫使用 instanceOop 和 instanceKlass 這 2 個 C++類來表示。

refrence、oop、klass的關(guān)系如下所示：

Oop繼承體系

oop(ordinary object pointer,普通對象指針)。是HotSpot用來表示Java對象的實例信息的一個體系

既在JVM層面，oop用于表示對象（oop本質(zhì)上是一個指向內(nèi)存中對象的起始存儲位置的指針）。

在hotspot/share/oops/oopsHierarchy.hpp 文件中，對oop的定義如下：

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

其中oop是Oop體系中的最高父類，整個繼承體系如下所示，不同的oop用于表示不同的類

例如instanceOop表示Java中普通的對象，arrayOop則表示數(shù)組對象。

oop(對象)由對象頭,對象體（實例數(shù)據(jù)）,對齊填充三部分組成。

對象頭

對象頭中存儲了對象很多java內(nèi)部的信息,如hash碼,對象所屬的年代，對象鎖，鎖狀態(tài)標志，偏向鎖（線程）ID，偏向時間等

Java對象頭一般占有2個機器碼(機器一次處理的數(shù)據(jù)位數(shù))。

如果對象是數(shù)組類型,則需要3個機器碼，因為JVM虛擬機可以通過Java對象的元數(shù)據(jù)信息確定Java對象的大小,但是無法從數(shù)組的元數(shù)據(jù)來確認數(shù)組的大小，所以用一塊區(qū)域用來記錄數(shù)組長度。

HotSpot虛擬機的對象頭包括兩部分信息

第一部分為 Mark Word

第二部分為 class pointer

如果是數(shù)組對象,那么還有數(shù)組長度。 

普通對象和數(shù)組對象的對象頭結(jié)構(gòu)如下（32位為例）：

Mark Word

這部分主要用來存儲對象自身的運行時數(shù)據(jù)，如hashcode、gc分代年齡等。

mark word 的位長度為JVM的一個機器碼的大小，為了存儲更多的信息，JVM將機器碼的最低兩個位設(shè)置為標記位，不同標記位下的Mark Word示意如下：

其中各部分的含義如下：

• lock: 2位的鎖狀態(tài)標記位，由于希望用盡可能少的二進制位表示盡可能多的信息，所以設(shè)置了lock標記。該標記的值不同，整個mark word表示的含義不同。
• biased_lock : lock 狀態(tài)（2位。和是否偏向鎖共同作用，示意如下）
  • 0 01 無鎖
  • 1 01 偏向鎖
  • 0 00 輕量級鎖
  • 0 10 重量級鎖
  • 0 11 GC標記
• biased_lock：對象是否啟用偏向鎖標記，只占1個二進制位。為1時表示對象啟用偏向鎖，為0時表示對象沒有偏向鎖。
• age：4位的Java對象年齡。在GC中，如果對象在Survivor區(qū)復(fù)制一次，年齡增加1。當(dāng)對象達到設(shè)定的閾值時，將會晉升到老年代。默認情況下，并行GC的年齡閾值為15，并發(fā)GC的年齡閾值為6。由于age只有4位，所以最大值為15，這就是-XX:MaxTenuringThreshold選項最大值為15的原因。
• identity_hashcode：25位的對象標識Hash碼，采用延遲加載技術(shù)。調(diào)用方法System.identityHashCode()計算，并會將結(jié)果寫到該對象頭中。當(dāng)對象被鎖定時，該值會移動到管程Monitor中。
• thread：持有偏向鎖的線程ID。
• epoch：偏向時間戳。
• ptr_to_lock_record：指向棧中鎖記錄的指針。
• ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指針。

64位與32位組成相同，主要是存儲位數(shù)長度不同：

Klass Pointer

這一部分用于存儲對象的類型指針，該指針指向它的類元數(shù)據(jù)，JVM通過這個指針確定對象是哪個類的實例。

如果應(yīng)用的對象過多，使用64位的指針將浪費大量內(nèi)存，統(tǒng)計而言，64位的JVM將會比32位的JVM多耗費50%的內(nèi)存。為了節(jié)約內(nèi)存可以使用選項+UseCompressedOops開啟指針壓縮。

開啟該選項后，下列指針將壓縮至32位：每個Class的屬性指針（即靜態(tài)變量） 每個對象的屬性指針（即對象變量） 普通對象數(shù)組的每個元素指針

當(dāng)然，也不是所有的指針都會壓縮，一些特殊類型的指針JVM不會優(yōu)化，比如指向PermGen的Class對象指針(JDK8中指向元空間的Class對象指針)、本地變量、堆棧元素、入?yún)?、返回值和NULL指針等。

array length

如果對象是一個數(shù)組，那么對象頭還需要有額外的空間用于存儲數(shù)組的長度，這部分數(shù)據(jù)的長度也是一個機器碼。64位JVM如果開啟+UseCompressedOops選項，該區(qū)域長度也將由64位壓縮至32位。

對象體（實例數(shù)據(jù)）

對象體存儲的是具體的成員屬性。

值得注意的是，如果成員屬性屬于普通對象類型，則 oop 只存儲它的地址。

每個field在 oop 中都有一個對應(yīng)的偏移量（offset）， oop 通過該偏移量得到該field的地址，再根據(jù)地址得到具體數(shù)據(jù)。

因此，Java對象中的field存儲的并不是對象本身，而是對象的地址。

JVM將Java對象的field存儲在 oop 的對象體中， oop 提供了一系列的方法來獲取和設(shè)置field，并且針對每種基礎(chǔ)類型都提供了特有的實現(xiàn)。

對齊填充

由于虛擬機要求 對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。

填充數(shù)據(jù)不是必須存在的，僅僅是為了字節(jié)對齊。

Klass繼承體系

與oop類似，klass的繼承體系如下：

// hotspot/src/share/vm/oops/oopsHierarchy.hpp
...
class Klass;  // Klass繼承體系的最高父類
class   InstanceKlass;  // 表示一個Java普通類，包含了一個類運行時的所有信息
class     InstanceMirrorKlass;  // 表示java.lang.Class
class     InstanceClassLoaderKlass; // 主要用于遍歷ClassLoader繼承體系
class     InstanceRefKlass;  // 表示java.lang.ref.Reference及其子類
class   ArrayKlass;  // 表示一個Java數(shù)組類
class     ObjArrayKlass;  // 普通對象的數(shù)組類
class     TypeArrayKlass;  // 基礎(chǔ)類型的數(shù)組類
...

當(dāng)然，JVM本身所定義的用于描述Java類的C++類也使用klass去描述，這相當(dāng)于使用另一種面向?qū)ο蟮臋C制去描述C++類這種本身便是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)。

（1）用于表示Java類。klass包含元數(shù)據(jù)和方法信息，用來描述 Java 類或者JVM內(nèi)部自帶的C++類型信息。Java 類的繼承信息、成員變量 、靜態(tài)變量 、成員方法 、構(gòu)造函數(shù)等信息都在 klass 中保存 ，一個class文件被JVM加載之后，就會被解析成一個klass對象存儲在內(nèi)存中。JVM據(jù)此在運行期可以反射出Java類的全部結(jié)構(gòu)信息。

（2）實現(xiàn)對象的虛分派（virtual dispatch）。所謂的虛分派，是JVM用來實現(xiàn)多態(tài)的一種機制。

體系總覽（待補充）

在JVM內(nèi)部定義了3種結(jié)構(gòu)去描述一種類型 ：oop 、klass 和 handle 類。

注意，這 3 種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不僅能夠描述外在的 Java 類 ，也能夠描述 JVM內(nèi)在的C++類型對象。

Handle是對 oop 的行為的封裝(Handle類內(nèi)部只有一個成員變量一handle，該變量類型是oop*，因此該變量最終指向的就是一個oop的首地址)，在訪問 Java 類時一定是通過 handle 內(nèi)部指針得到 oop 實例的，

再通過 oop 就能拿到 klass ，如此 handle 最終便能操縱 oop 的行為了（注意，如果是調(diào)用JVM內(nèi)部C++類型所對應(yīng)的oop的函數(shù) ，則不需要通過 handle 來中轉(zhuǎn)，直接通過 oop 拿到指定的 klass便能實現(xiàn)）。

klass 不僅包含自己所固有的行為接口，而且也能夠操作 Java 類的函數(shù)。由于Java 函數(shù)在JVM內(nèi)部都被表示成虛函數(shù)，因此handle模型其實就是 Java  類行為的表達。

三者的關(guān)系如下:

Handle體系

handle封裝了oop，由于通過oop可以拿到 klass ，而 klass 是對 Java 類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和方法的描述 ，因此 handle 間接封裝了 klass。

JVM內(nèi)部使用一個 table 來存儲 oop 指針。但是JVM內(nèi)部采用這種結(jié)構(gòu)對klass進行間接引用是為GC考慮。具體表現(xiàn)在2個地方 ：

通過handle，能夠讓 GC 知道其內(nèi)部代碼都有哪些地方持有 GC 所管理的對象的引用，這只需要掃描 handle 所對應(yīng)的 table ，這樣 JVM 便無須關(guān)注其內(nèi)部到底哪些地方持有對普通對象的引用。

在GC過程中如果發(fā)生了對象移動（例如從新生代移到了老年代），那么JVM的內(nèi)部引用無須跟著更改為被移動對象的新地址，JVM 只需要更改 handle table 里對應(yīng)的指針即可 。

之所以分別給 oop 和 klass 定義了 2 套不同的 handle 體系，是為了方便垃圾回收。

本質(zhì)上，每一個oop，其實都是一個 C++類型，也即 klass；而對于每一個 klass 所對應(yīng)的 class ，在JVM內(nèi)部又都會被封裝成 oop。

在具體描述一個類型時，會使用 oop 去存儲這個類型的實例數(shù)據(jù)，并使用 klass 去存儲這個類型的元數(shù)據(jù)和虛方法表。而當(dāng)一個類型完成其生命周期后，JVM會觸發(fā) GC 去回收，在回收時，既要回收一個類實例所對應(yīng)的實例數(shù)據(jù) oop , 也要回收其所對應(yīng)的元數(shù)據(jù)和虛方法表（當(dāng)然，兩者并不是同時回收，一個是堆區(qū)的垃圾回收， 一個是永久區(qū)的垃圾回收）。

為了讓 GC 既能回收 oop 也能回收 klass，因此 oop 本身被封裝成了 oop ，而 klass 也被封裝成 oop。

到此這篇關(guān)于HotSpot的Java對象模型之Oop-Klass模型詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)HotSpot的Oop-Klass模型內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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