Java的對象模型——Oop-Klass模型（一）

前言

談起Java對象，筆者的第一反應是在：Java中的每個對象（不包括基礎類型）都繼承於Object對象。相信這也是大多數程序員對Java對象的初次印象，Object能夠表示全部的Java對象。可是，這種理解僅僅是停留在語言層面，至於更深的JVM層面，對象仍是用Object來表示嗎？顯然不是。JVM一般使用非Java語言實現，是用來解析並運行Java程序的，它有本身的模型來表示Java語言的各類特性，包括Object。下面咱們以HotSpot爲例，一塊兒來探討Java對象在JVM層面的Java對象模型。

HotSpot採用C++語言實現，下文中的JVM如無特殊說明，指的都是HotSpot。

Java程序經過new操做符來建立一個對象，在深刻探討HotSpot的Java對象模型前，咱們先看下new操做符的具體實現。

上述代碼片斷來自HotSpot源碼中new操做符的實現函數，先不深刻分析每一行的具體含義，這段代碼給咱們最直觀的功能就是：先對klass對象進行初始化工做，而後再用它來建立出oop對象。到這裏咱們大體就能猜出，oop表示的就是一個Java對象。而這裏的klass和Java中的Class之間彷佛有着緊密的聯繫，一是二者的名字很是相似，另外也可經過第16行代碼獲得進一步的確定。對Java的反射機制稍微有所瞭解的人，看着第16行代碼必定很熟悉，由於它與使用Class.newInstance()方法來建立Object對象很相似。

實際正如上述所猜想，HotSpot使用Oop-Klass模型來表示Java的對象。

Oop的繼承體系

這裏的Oop並不是是Object-oriented programming，而是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。其中oop是Oop體系中的最高父類，整個繼承體系以下所示：

Oop繼承體系

每一個Java對象都有它獨有的生命週期，咱們使用new操做符將它建立出來，而後對它執行各式各樣的操做（如獲取成員屬性、調用成員函數、加鎖等），最後被GC回收掉。那麼Java對象的這一系列經歷，JVM又是怎麼實現的呢？JVM使用Oop來表示一個Java對象，天然地，這些經歷都會跟oop有關。

oop的子類有兩個，分別是instanceOop和arrayOop。前者表示Java中普通的對象，後者則表示數組對象。arrayOop也有兩個子類，objArrayOop表示普通對象類型的數組，而typeArrayOopDesc則表示基礎類型的數組。以下圖所示，oop的存儲結構主要由對象頭和對象體組成。

Java對象的存儲結構

oop對象頭

oop主要有兩個成員屬性：

_mark和_metadata被稱爲對象頭，其中前者存儲對象的運行時記錄信息；後者是一個指針，指向當前對象所屬的Klass對象。

由於某些歷史緣由，HotSpot把markOop放到Oop體系裏，可是它並繼承oop，所以前文所描述的Oop體系並無包含它。

markOop的存儲結構在32位和64位系統中有所差別，可是具體存儲的信息是同樣的，本節只介紹它在32位系統中的存儲結構。在32位系統中，markOop一共佔32位，存儲結構如圖下所示：

markOop存儲結構

從圖中可知，諸如對象hash值、線程ID、分代年齡等信息都是存儲在markOop中，並且在不一樣的狀態下，其結構也是略有不一樣。無鎖指一個對象沒有被加鎖時的狀態；偏向鎖，顧名思義會偏向於第一個訪問鎖的線程，當同步鎖只有一個線程訪問時，JVM會將其優化爲偏向鎖，此時就至關於沒有同步語義；當發生多線程競爭時，偏向鎖就會膨脹爲輕量級鎖，後者採用CAS（Compare And Swap）實現，避免了用戶態和內核態之間的切換；若是某個線程獲取輕量級鎖失敗，該鎖就會繼續膨脹爲重量級鎖，此時JVM會向操做系統申請互斥量，所以性能消耗也是最高的。

oop提供4個方法來判斷當前對象處於何種狀態下：

從上述代碼可知，oop調用markOop的方法來判斷當前對象是否已經加鎖、是不是偏向鎖，markOop則經過判斷其存儲結構中的標誌位來實現，以下列代碼所示：

oop對象體

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置field，而且針對每種基礎類型都提供了特有的實現。

具體實現以下列代碼所示：

由上述代碼片斷可知，每一個field在oop中都有一個對應的偏移量（offset），oop經過該偏移量獲得該field的地址，再根據地址獲得具體數據。所以，Java對象中的field存儲的並非對象自己，而是對象的地址。

圖1-11 Java對象field的存儲結構

總結

HotSpot採用Oop-Klass模型來表示Java對象，其中Klass對應着Java對象的類型（Class），而Oop則對應着Java對象的實例（Instance）。Oop是一個繼承體系，其中oop是體系中的最高父類，它的存儲結構能夠分紅對象頭和對象體。對象頭存儲的是對象的一些元數據，對象體存儲的是具體的成員屬性。值得注意的是，若是成員屬性屬於普通對象類型，則oop只存儲它的地址。

咱們都知道Java中的普通方法（沒有static和final修飾）是動態綁定的，在C++中，動態綁定經過虛函數來實現，代價是每一個C++對象都必須維護一張虛函數表。Java的特色就是一切皆是對象，若是每一個對象都維護一張虛函數表，內存開銷將會很是大。JVM對此作了優化，虛函數表再也不由每一個對象維護，改爲由Class類型維護，全部屬於該類型的對象共用一張虛函數表。所以咱們並無在oop上找到方法調用的相關邏輯，這部分的代碼被放在了klass裏面。

Klass相關的內容將會在下一篇文章《Java的對象模型——Oop-Klass（二）》中介紹。