大話Java對(duì)象在虛擬機(jī)中是什么樣子？

作者：Danny姜 2020-04-09 11:00:20

云計(jì)算

虛擬化 JVM本身是用C艸實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)Java對(duì)象在是如何映射到C層的對(duì)象呢?最簡(jiǎn)單的做法是為每個(gè)Java類生成一個(gè)結(jié)構(gòu)相同c++類與之對(duì)應(yīng)。

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程序員最不缺的就是對(duì)象，每天都會(huì)給自己創(chuàng)建成百上千的對(duì)象?？墒悄阏娴牧私饽愕膶?duì)象嗎?比如以下類代碼：

 

上面代碼，在main方法中通過(guò) new 關(guān)鍵字創(chuàng)建了Foo類的實(shí)例對(duì)象，并且通過(guò)引用 foo 指向這個(gè)對(duì)象。那么它們以及靜態(tài)變量staticValue和實(shí)例變量localValue都是被保存在內(nèi)存中什么位置，以及它們是以何種方式存在的呢?

Java OOP-Klass 模型

JVM本身是用C艸實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)Java對(duì)象在是如何映射到C層的對(duì)象呢?

最簡(jiǎn)單的做法是為每個(gè)Java類生成一個(gè)結(jié)構(gòu)相同c++類與之對(duì)應(yīng)。

但HotSpot JVM并沒(méi)有這么做，而是設(shè)計(jì)了一個(gè)OOP-Klass Model。這里的 OOP 指的是 Ordinary Object Pointer (普通對(duì)象指針)，它用來(lái)表示對(duì)象的實(shí)例信息。而 Klass 則包含元數(shù)據(jù)和方法信息，用來(lái)描述Java類。

之所以采用這個(gè)模型是因?yàn)镠otSopt JVM的設(shè)計(jì)者不想讓每個(gè)對(duì)象中都含有一個(gè)vtable(虛函數(shù)表)，所以就把對(duì)象模型拆成klass和oop，其中oop中不含有任何虛函數(shù)，而Klass就含有虛函數(shù)表，可以進(jìn)行method dispatch。

OOP-Klass模型 分為OOP框架和Klass框架

Klass 包含元數(shù)據(jù)和方法信息，用來(lái)描述Java類。

Klass是用來(lái)表示class的元數(shù)據(jù)，包括常量池、字段、方法、類名、父類等。Klass 對(duì)象中含有虛函數(shù)表vtbl 以及父類虛函數(shù)表klass_vtbl， 因此可以根據(jù)java對(duì)象的實(shí)例類型方法的分發(fā)。

JVM 在加載class字節(jié)碼文件時(shí)，會(huì)在方法區(qū)創(chuàng)建Klass對(duì)象，其中 instanceKlass 可以認(rèn)為是 java.lang.Class 的VM級(jí)別的表示，但它們并不等價(jià)，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，

 

上圖中的所有全局變量會(huì)在class字節(jié)碼解析階段完成賦值，主要是將常量池中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用，即運(yùn)行時(shí)實(shí)際內(nèi)存地址。

OOP 指的是普通對(duì)象指針，用來(lái)表示對(duì)象的實(shí)例信息

所有的 OOP 類的共同基類為 oopDesc 類。它的結(jié)構(gòu)如下：

 

當(dāng)在Java中使用 new guan'jian創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象時(shí)，就會(huì)在JVM中創(chuàng)建一個(gè) instanceOopDesc 實(shí)例對(duì)象。Foo中的localValue就是保存在這個(gè)對(duì)象當(dāng)中。

我們經(jīng)常說(shuō)Java對(duì)象在內(nèi)存中的布局分為：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)、對(duì)其填充。其實(shí)這3部分就是對(duì)應(yīng)上面圖中的 oopDesc 對(duì)象。

_mark和_metadata 一起組成了對(duì)象頭部分：

• Mark Word：instanceOopDesc 中的 _mark 成員，允許壓縮。它用于存儲(chǔ)對(duì)象的運(yùn)行時(shí)記錄信息，如哈希值、GC 分代年齡(Age)、鎖狀態(tài)標(biāo)志(偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖)、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時(shí)間戳等。
• 元數(shù)據(jù)指針：instanceOopDesc 中的 _metadata 成員，它是聯(lián)合體，可以表示未壓縮的 Klass 指針(_klass)和壓縮的 Klass 指針。對(duì)應(yīng)的 klass 指針指向一個(gè)存儲(chǔ)類的元數(shù)據(jù)的 Klass 對(duì)象。

在對(duì)象頭之后，JVM會(huì)繼續(xù)填充Java對(duì)象中的具體實(shí)例數(shù)據(jù)，比如Foo中的localValue。

Foo具體分析

接下來(lái)重新回到文章開(kāi)頭的實(shí)例代碼，F(xiàn)oo.java中包含兩個(gè)變量staticValue和localValue，但是只有staticValue會(huì)在類加載階段由JVM分配內(nèi)存并初始化默認(rèn)值，因此當(dāng)代碼執(zhí)行到第7行時(shí)，內(nèi)存中只會(huì)在方法區(qū)創(chuàng)建Klass對(duì)象，用來(lái)描述Foo信息以及staticValue值，如下圖所示：

 

可以看出，此時(shí)堆內(nèi)存中并沒(méi)有創(chuàng)建Foo對(duì)應(yīng)的instanceOopDesc實(shí)例對(duì)象。

當(dāng)代碼執(zhí)行到第9行，調(diào)用 new 創(chuàng)建Foo時(shí)，JVM 就會(huì)創(chuàng)建一個(gè) instanceOopDesc 對(duì)象表示這個(gè)對(duì)象的實(shí)例，然后進(jìn)行 Mark Word 的填充，將元數(shù)據(jù)指針指向剛才在方法區(qū)創(chuàng)建的 Klass 對(duì)象，并填充實(shí)例變量。并且因?yàn)榉椒ㄊ窃趍ain方法中執(zhí)行，所有foo指針會(huì)被保存在虛擬機(jī)棧中，并指向創(chuàng)建的 instanceOopDesc 對(duì)象。具體過(guò)程如下：

 

可以看出 localValue 是被保存在堆中的。

綜上所述：

• foo是一個(gè)局部方法中的引用，被保存在虛擬機(jī)棧中
• staticValue靜態(tài)變量在類加載階段被保存在方法區(qū)，并被賦值
• localValue 實(shí)例變量是在創(chuàng)建對(duì)象時(shí)才會(huì)被創(chuàng)建并賦值
• 一個(gè)Java對(duì)象在JVM中被分成2部分：OOP和Klass。其中OOP對(duì)象保存對(duì)象里實(shí)例數(shù)據(jù)，Klass用來(lái)描述類相關(guān)信息以及保存靜態(tài)變量。

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