大話Java對象在虛擬機中是什么樣子？

作者：Danny姜 2020-04-09 11:00:20

云計算

虛擬化 JVM本身是用C艸實現(xiàn)的，一個Java對象在是如何映射到C層的對象呢?最簡單的做法是為每個Java類生成一個結(jié)構(gòu)相同c++類與之對應(yīng)。

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程序員最不缺的就是對象，每天都會給自己創(chuàng)建成百上千的對象。可是你真的了解你的對象嗎?比如以下類代碼：

 

上面代碼，在main方法中通過 new 關(guān)鍵字創(chuàng)建了Foo類的實例對象，并且通過引用 foo 指向這個對象。那么它們以及靜態(tài)變量staticValue和實例變量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艸實現(xiàn)的，一個Java對象在是如何映射到C層的對象呢?

最簡單的做法是為每個Java類生成一個結(jié)構(gòu)相同c++類與之對應(yīng)。

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

之所以采用這個模型是因為HotSopt JVM的設(shè)計者不想讓每個對象中都含有一個vtable(虛函數(shù)表)，所以就把對象模型拆成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，用來描述Java類。

Klass是用來表示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對象的實例類型方法的分發(fā)。

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

 

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

OOP 指的是普通對象指針，用來表示對象的實例信息

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)建一個對象時，就會在JVM中創(chuàng)建一個 instanceOopDesc 實例對象。Foo中的localValue就是保存在這個對象當(dāng)中。

我們經(jīng)常說Java對象在內(nèi)存中的布局分為：對象頭、實例數(shù)據(jù)、對其填充。其實這3部分就是對應(yīng)上面圖中的 oopDesc 對象。

_mark和_metadata 一起組成了對象頭部分：

• Mark Word：instanceOopDesc 中的 _mark 成員，允許壓縮。它用于存儲對象的運行時記錄信息，如哈希值、GC 分代年齡(Age)、鎖狀態(tài)標(biāo)志(偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖)、線程持有的鎖、偏向線程 ID、偏向時間戳等。
• 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。對應(yīng)的 klass 指針指向一個存儲類的元數(shù)據(jù)的 Klass 對象。

在對象頭之后，JVM會繼續(xù)填充Java對象中的具體實例數(shù)據(jù)，比如Foo中的localValue。

Foo具體分析

接下來重新回到文章開頭的實例代碼，F(xiàn)oo.java中包含兩個變量staticValue和localValue，但是只有staticValue會在類加載階段由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，內(nèi)存中只會在方法區(qū)創(chuàng)建Klass對象，用來描述Foo信息以及staticValue值，如下圖所示：

 

可以看出，此時堆內(nèi)存中并沒有創(chuàng)建Foo對應(yīng)的instanceOopDesc實例對象。

當(dāng)代碼執(zhí)行到第9行，調(diào)用 new 創(chuàng)建Foo時，JVM 就會創(chuàng)建一個 instanceOopDesc 對象表示這個對象的實例，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 對象，并填充實例變量。并且因為方法是在main方法中執(zhí)行，所有foo指針會被保存在虛擬機棧中，并指向創(chuàng)建的 instanceOopDesc 對象。具體過程如下：

 

可以看出 localValue 是被保存在堆中的。

綜上所述：

• foo是一個局部方法中的引用，被保存在虛擬機棧中
• 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 實例變量是在創(chuàng)建對象時才會被創(chuàng)建并賦值
• 一個Java對象在JVM中被分成2部分：OOP和Klass。其中OOP對象保存對象里實例數(shù)據(jù)，Klass用來描述類相關(guān)信息以及保存靜態(tài)變量。

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