HotSpot的Java对象模型之Oop-Klass模型详解

Java对象模型

Java中Object类是所有对象的父类，这是语言层面的定义。

在JVM层面，不仅Java类是对象，Java 方法也是对象， 字节码常量池也是对象，一切皆是对象。

JVM使用不同的oop-klass模型来表示各种不同的对象。

而在技术落地时，这些不同的模型就使用不同的 oop 类（instanceoop  methodoop constmethodoop等等）和 klass 类来表示 。

由于JVM使用C/C++编写，因此这些 oop 和 klass 类便是各种不同的C++类。

对于Java类型与实例对象，只叫使用 instanceOop 和 instanceKlass 这 2 个 C++类来表示。

refrence、oop、klass的关系如下所示：

Oop继承体系

oop(ordinary object pointer,普通对象指针)。是HotSpot用来表示Java对象的实例信息的一个体系

既在JVM层面，oop用于表示对象（oop本质上是一个指向内存中对象的起始存储位置的指针）。

在hotspot/share/oops/oopsHierarchy.hpp 文件中，对oop的定义如下：

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体系中的最高父类，整个继承体系如下所示，不同的oop用于表示不同的类

例如instanceOop表示Java中普通的对象，arrayOop则表示数组对象。

oop(对象)由对象头,对象体（实例数据）,对齐填充三部分组成。

对象头

对象头中存储了对象很多java内部的信息,如hash码,对象所属的年代，对象锁，锁状态标志，偏向锁（线程）ID，偏向时间等

Java对象头一般占有2个机器码(机器一次处理的数据位数)。

如果对象是数组类型,则需要3个机器码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是无法从数组的元数据来确认数组的大小，所以用一块区域用来记录数组长度。

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息

第一部分为 Mark Word

第二部分为 class pointer

如果是数组对象,那么还有数组长度。 

普通对象和数组对象的对象头结构如下（32位为例）：

Mark Word

这部分主要用来存储对象自身的运行时数据，如hashcode、gc分代年龄等。

mark word 的位长度为JVM的一个机器码的大小，为了存储更多的信息，JVM将机器码的最低两个位设置为标记位，不同标记位下的Mark Word示意如下：

其中各部分的含义如下：

• lock: 2位的锁状态标记位，由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息，所以设置了lock标记。该标记的值不同，整个mark word表示的含义不同。
• biased_lock : lock 状态（2位。和是否偏向锁共同作用，示意如下）
  • 0 01 无锁
  • 1 01 偏向锁
  • 0 00 轻量级锁
  • 0 10 重量级锁
  • 0 11 GC标记
• biased_lock：对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。
• age：4位的Java对象年龄。在GC中，如果对象在Survivor区复制一次，年龄增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位，所以最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。
• identity_hashcode：25位的对象标识Hash码，采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。当对象被锁定时，该值会移动到管程Monitor中。
• thread：持有偏向锁的线程ID。
• epoch：偏向时间戳。
• ptr_to_lock_record：指向栈中锁记录的指针。
• ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指针。

64位与32位组成相同，主要是存储位数长度不同：

Klass Pointer

这一部分用于存储对象的类型指针，该指针指向它的类元数据，JVM通过这个指针确定对象是哪个类的实例。

如果应用的对象过多，使用64位的指针将浪费大量内存，统计而言，64位的JVM将会比32位的JVM多耗费50%的内存。为了节约内存可以使用选项+UseCompressedOops开启指针压缩。

开启该选项后，下列指针将压缩至32位：每个Class的属性指针（即静态变量） 每个对象的属性指针（即对象变量） 普通对象数组的每个元素指针

当然，也不是所有的指针都会压缩，一些特殊类型的指针JVM不会优化，比如指向PermGen的Class对象指针(JDK8中指向元空间的Class对象指针)、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和NULL指针等。

array length

如果对象是一个数组，那么对象头还需要有额外的空间用于存储数组的长度，这部分数据的长度也是一个机器码。64位JVM如果开启+UseCompressedOops选项，该区域长度也将由64位压缩至32位。

对象体（实例数据）

对象体存储的是具体的成员属性。

值得注意的是，如果成员属性属于普通对象类型，则 oop 只存储它的地址。

每个field在 oop 中都有一个对应的偏移量（offset）， oop 通过该偏移量得到该field的地址，再根据地址得到具体数据。

因此，Java对象中的field存储的并不是对象本身，而是对象的地址。

JVM将Java对象的field存储在 oop 的对象体中， oop 提供了一系列的方法来获取和设置field，并且针对每种基础类型都提供了特有的实现。

对齐填充

由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。

填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。

Klass继承体系

与oop类似，klass的继承体系如下：

// hotspot/src/share/vm/oops/oopsHierarchy.hpp
...
class Klass;  // Klass继承体系的最高父类
class   InstanceKlass;  // 表示一个Java普通类，包含了一个类运行时的所有信息
class     InstanceMirrorKlass;  // 表示java.lang.Class
class     InstanceClassLoaderKlass; // 主要用于遍历ClassLoader继承体系
class     InstanceRefKlass;  // 表示java.lang.ref.Reference及其子类
class   ArrayKlass;  // 表示一个Java数组类
class     ObjArrayKlass;  // 普通对象的数组类
class     TypeArrayKlass;  // 基础类型的数组类
...

当然，JVM本身所定义的用于描述Java类的C++类也使用klass去描述，这相当于使用另一种面向对象的机制去描述C++类这种本身便是面向对象的数据。

（1）用于表示Java类。klass包含元数据和方法信息，用来描述 Java 类或者JVM内部自带的C++类型信息。Java 类的继承信息、成员变量 、静态变量 、成员方法 、构造函数等信息都在 klass 中保存 ，一个class文件被JVM加载之后，就会被解析成一个klass对象存储在内存中。JVM据此在运行期可以反射出Java类的全部结构信息。

（2）实现对象的虚分派（virtual dispatch）。所谓的虚分派，是JVM用来实现多态的一种机制。

体系总览（待补充）

在JVM内部定义了3种结构去描述一种类型 ：oop 、klass 和 handle 类。

注意，这 3 种数据结构不仅能够描述外在的 Java 类 ，也能够描述 JVM内在的C++类型对象。

Handle是对 oop 的行为的封装(Handle类内部只有一个成员变量一handle，该变量类型是oop*，因此该变量最终指向的就是一个oop的首地址)，在访问 Java 类时一定是通过 handle 内部指针得到 oop 实例的，

再通过 oop 就能拿到 klass ，如此 handle 最终便能操纵 oop 的行为了（注意，如果是调用JVM内部C++类型所对应的oop的函数 ，则不需要通过 handle 来中转，直接通过 oop 拿到指定的 klass便能实现）。

klass 不仅包含自己所固有的行为接口，而且也能够操作 Java 类的函数。由于Java 函数在JVM内部都被表示成虚函数，因此handle模型其实就是 Java  类行为的表达。

三者的关系如下:

Handle体系

handle封装了oop，由于通过oop可以拿到 klass ，而 klass 是对 Java 类数据结构和方法的描述 ，因此 handle 间接封装了 klass。

JVM内部使用一个 table 来存储 oop 指针。但是JVM内部采用这种结构对klass进行间接引用是为GC考虑。具体表现在2个地方 ：

通过handle，能够让 GC 知道其内部代码都有哪些地方持有 GC 所管理的对象的引用，这只需要扫描 handle 所对应的 table ，这样 JVM 便无须关注其内部到底哪些地方持有对普通对象的引用。

在GC过程中如果发生了对象移动（例如从新生代移到了老年代），那么JVM的内部引用无须跟着更改为被移动对象的新地址，JVM 只需要更改 handle table 里对应的指针即可 。

之所以分别给 oop 和 klass 定义了 2 套不同的 handle 体系，是为了方便垃圾回收。

本质上，每一个oop，其实都是一个 C++类型，也即 klass；而对于每一个 klass 所对应的 class ，在JVM内部又都会被封装成 oop。

在具体描述一个类型时，会使用 oop 去存储这个类型的实例数据，并使用 klass 去存储这个类型的元数据和虚方法表。而当一个类型完成其生命周期后，JVM会触发 GC 去回收，在回收时，既要回收一个类实例所对应的实例数据 oop , 也要回收其所对应的元数据和虚方法表（当然，两者并不是同时回收，一个是堆区的垃圾回收， 一个是永久区的垃圾回收）。

为了让 GC 既能回收 oop 也能回收 klass，因此 oop 本身被封装成了 oop ，而 klass 也被封装成 oop。

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