上一篇文章中简单介绍过 synchronized
关键字的方式,其中,同步代码块使用 monitorenter
和 monitorexit
两个指令实现,同步方法使用 ACC_SYNCHRONIZED
标记符实现。后面几篇文章会从JVM源码的角度更加深入,层层剥开 synchronized
的面纱。
在进入正题之前,肯定有些基础知识需要铺垫,那么先来看一下一个容易被忽略的但是又很重要的知识点 —— Java对象模型 。
大家都知道的是,Java对象保存在堆内存中。在内存中,一个Java对象包含三部分:对象头、实例数据和对齐填充。其中对象头是一个很关键的部分,因为 对象头中包含锁状态标志、线程持有的锁等标志 。这篇文章就主要从Java对象模型入手,找一找我们关系的对象头以及对象头中和锁相关的运行时数据在JVM中是如何表示的。
任何一个接触过Java的人都知道,Java是一种面向对象语言。在学习Java的过程中你一定对下面两句话不陌生:
1、在面向对象的软件中,对象(Object)是某一个类(Class)的实例。维基百科
2、一切皆对象Thinking In Java
我们还知道,在JVM的内存结构中,对象保存在堆内存中,而我们在对对象进行操作时,其实操作的是对象的引用。那么对象本身在JVM中的结构是什么样的呢?本文的所有分析均基于 HotSpot 虚拟机。
HotSpot是基于c++实现,而c++是一门面向对象的语言,本身是具备面向对象基本特征的,所以Java中的对象表示,最简单的做法是为每个Java类生成一个c++类与之对应。但HotSpot JVM并没有这么做,而是设计了一个 OOP-Klass Model
。OOP( Ordinary Object Pointer
)指的是普通对象指针,而 Klass
用来描述对象实例的具体类型。
为什么HotSpot要设计一套 oop-klass model
呢?答案是:HotSopt JVM的设计者不想让每个对象中都含有一个 vtable
(虚函数表)
这个解释似乎可以说得通。众所周知,C++和Java都是面向对象的语言,面向对象语言有一个很重要的特性就是多态。关于多态的实现,C++和Java有着本质的区别。
多态是面向对象的最主要的特性之一,是一种方法的动态绑定,实现运行时的类型决定对象的行为。多态的表现形式是父类指针或引用指向子类对象,在这个指针上调用的方法使用子类的实现版本。多态是IOC、模板模式实现的关键。
在C++中通过虚函数表的方式实现多态,每个包含虚函数的类都具有一个虚函数表(virtual table),在这个类对象的地址空间的最靠前的位置存有指向虚函数表的指针。在虚函数表中,按照声明顺序依次排列所有的虚函数。由于C++在运行时并不维护类型信息,所以在编译时直接在子类的虚函数表中将被子类重写的方法替换掉。
在Java中,在运行时会维持类型信息以及类的继承体系。每一个类会在方法区中对应一个数据结构用于存放类的信息,可以通过Class对象访问这个数据结构。其中,类型信息具有superclass属性指示了其超类,以及这个类对应的方法表(其中只包含这个类定义的方法,不包括从超类继承来的)。而每一个在堆上创建的对象,都具有一个指向方法区类型信息数据结构的指针,通过这个指针可以确定对象的类型。
上面这段是我从网上摘取过来的,说的有一定道理,但是也不全对。至于为啥,我会在后文介绍到Klass的时候细说。
关于opp-klass模型的整体定义,在HotSpot的 源码 中可以找到。
oops模块可以分成两个相对独立的部分:OOP框架和Klass框架。
在 oopsHierarchy.hpp 里定义了oop和klass各自的体系。
oop体系:
//定义了oops共同基类 typedef class oopDesc* oop; //表示一个Java类型实例 typedef class instanceOopDesc* instanceOop; //表示一个Java方法 typedef class methodOopDesc* methodOop; //表示一个Java方法中的不变信息 typedef class constMethodOopDesc* constMethodOop; //记录性能信息的数据结构 typedef class methodDataOopDesc* methodDataOop; //定义了数组OOPS的抽象基类 typedef class arrayOopDesc* arrayOop; //表示持有一个OOPS数组 typedef class objArrayOopDesc* objArrayOop; //表示容纳基本类型的数组 typedef class typeArrayOopDesc* typeArrayOop; //表示在Class文件中描述的常量池 typedef class constantPoolOopDesc* constantPoolOop; //常量池告诉缓存 typedef class constantPoolCacheOopDesc* constantPoolCacheOop; //描述一个与Java类对等的C++类 typedef class klassOopDesc* klassOop; //表示对象头 typedef class markOopDesc* markOop; 复制代码
上面列出的是整个Oops模块的组成结构,其中包含多个子模块。每一个子模块对应一个类型,每一个类型的OOP都代表一个在JVM内部使用的特定对象的类型。
从上面的代码中可以看到,有一个变量opp的类型是 oppDesc
,OOPS类的共同基类型为 oopDesc
。
**在Java程序运行过程中,每创建一个新的对象,在JVM内部就会相应地创建一个对应类型的OOP对象。**在HotSpot中,根据JVM内部使用的对象业务类型,具有多种 oopDesc
的子类。除了 oppDesc
类型外,opp体系中还有很多 instanceOopDesc
、 arrayOopDesc
等类型的实例,他们都是 oopDesc
的子类。
这些OOPS在JVM内部有着不同的用途,例如**, instanceOopDesc
表示类实例, arrayOopDesc
表示数组。**也就是说, 当我们使用 new
创建一个Java对象实例的时候,JVM会创建一个 instanceOopDesc
对象来表示这个Java对象。同理,当我们使用 new
创建一个Java数组实例的时候,JVM会创建一个 arrayOopDesc
对象来表示这个数组对象。
在HotSpot中,oopDesc类定义在 oop.hpp 中,instanceOopDesc定义在 instanceOop.hpp 中,arrayOopDesc定义在 arrayOop.hpp 中。
简单看一下相关定义:
class oopDesc { friend class VMStructs; private: volatile markOop _mark; union _metadata { wideKlassOop _klass; narrowOop _compressed_klass; } _metadata; private: // field addresses in oop void* field_base(int offset) const; jbyte* byte_field_addr(int offset) const; jchar* char_field_addr(int offset) const; jboolean* bool_field_addr(int offset) const; jint* int_field_addr(int offset) const; jshort* short_field_addr(int offset) const; jlong* long_field_addr(int offset) const; jfloat* float_field_addr(int offset) const; jdouble* double_field_addr(int offset) const; address* address_field_addr(int offset) const; } class instanceOopDesc : public oopDesc { } class arrayOopDesc : public oopDesc { } 复制代码
通过上面的源码可以看到, instanceOopDesc
实际上就是继承了 oopDesc
,并没有增加其他的数据结构,也就是说 instanceOopDesc
中主要包含以下几部分数据: markOop _mark
和 union _metadata
以及一些不同类型的 field
。
HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充。在虚拟机内部,一个Java对象对应一个 instanceOopDesc
的对象。其中对象头包含了两部分内容: _mark
和 _metadata
,而实例数据则保存在oopDesc中定义的各种field中。
文章开头我们就说过,之所以我们要写这篇文章,是因为对象头中有和锁相关的运行时数据,这些运行时数据是 synchronized
以及其他类型的锁实现的重要基础,而关于锁标记、GC分代等信息均保存在 _mark
中。因为本文主要介绍的 oop-klass
模型,在这里暂时不对对象头做展开,下一篇文章介绍。
前面介绍到的 _metadata
是一个共用体,其中 _klass
是普通指针, _compressed_klass
是压缩类指针。在深入介绍之前,就要来到 oop-Klass
中的另外一个主角 klass
了。
klass体系
//klassOop的一部分,用来描述语言层的类型 class Klass; //在虚拟机层面描述一个Java类 class instanceKlass; //专有instantKlass,表示java.lang.Class的Klass class instanceMirrorKlass; //专有instantKlass,表示java.lang.ref.Reference的子类的Klass class instanceRefKlass; //表示methodOop的Klass class methodKlass; //表示constMethodOop的Klass class constMethodKlass; //表示methodDataOop的Klass class methodDataKlass; //最为klass链的端点,klassKlass的Klass就是它自身 class klassKlass; //表示instanceKlass的Klass class instanceKlassKlass; //表示arrayKlass的Klass class arrayKlassKlass; //表示objArrayKlass的Klass class objArrayKlassKlass; //表示typeArrayKlass的Klass class typeArrayKlassKlass; //表示array类型的抽象基类 class arrayKlass; //表示objArrayOop的Klass class objArrayKlass; //表示typeArrayOop的Klass class typeArrayKlass; //表示constantPoolOop的Klass class constantPoolKlass; //表示constantPoolCacheOop的Klass class constantPoolCacheKlass; 复制代码
和 oopDesc
是其他oop类型的父类一样,Klass类是其他klass类型的父类。
Klass向JVM提供两个功能:
文章开头的时候说过:之所以设计 oop-klass
模型,是因为HotSopt JVM的设计者不想让每个对象中都含有一个虚函数表。
HotSopt JVM的设计者把对象一拆为二,分为 klass
和 oop
,其中 oop
的职能主要在于表示对象的实例数据,所以其中不含有任何虚函数。而klass为了实现虚函数多态,所以提供了虚函数表。所以,关于Java的多态,其实也有虚函数的影子在。
_metadata
是一个共用体,其中 _klass
是普通指针, _compressed_klass
是压缩类指针。这两个指针都指向 instanceKlass
对象,它用来描述对象的具体类型。
JVM在运行时,需要一种用来标识Java内部类型的机制。在HotSpot中的解决方案是:为每一个已加载的Java类创建一个 instanceKlass
对象,用来在JVM层表示Java类。
来看下 instanceKlass 的内部结构:
//类拥有的方法列表 objArrayOop _methods; //描述方法顺序 typeArrayOop _method_ordering; //实现的接口 objArrayOop _local_interfaces; //继承的接口 objArrayOop _transitive_interfaces; //域 typeArrayOop _fields; //常量 constantPoolOop _constants; //类加载器 oop _class_loader; //protected域 oop _protection_domain; .... 复制代码
可以看到,一个类该具有的东西,这里面基本都包含了。
这里还有个点需要简单介绍一下。
在JVM中,对象在内存中的基本存在形式就是oop。那么,对象所属的类,在JVM中也是一种对象,因此它们实际上也会被组织成一种oop,即klassOop。同样的,对于klassOop,也有对应的一个klass来描述,它就是klassKlass,也是klass的一个子类。klassKlass作为oop的klass链的端点。关于对象和数组的klass链大致如下图:
在这种设计下,JVM对内存的分配和回收,都可以采用统一的方式来管理。oop-klass-klassKlass关系如图:
关于一个Java对象,他的存储是怎样的,一般很多人会回答:对象存储在堆上。稍微好一点的人会回答:对象存储在堆上,对象的引用存储在栈上。今天,再给你一个更加显得牛逼的回答:
对象的实例(instantOopDesc)保存在堆上,对象的元数据(instantKlass)保存在方法区,对象的引用保存在栈上。
其实如果细追究的话,上面这句话有点故意卖弄的意思。因为我们都知道。 方法区用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。 所谓加载的类信息,其实不就是给每一个被加载的类都创建了一个 instantKlass对象么。
talk is cheap ,show me the code :
class Model { public static int a = 1; public int b; public Model(int b) { this.b = b; } } public static void main(String[] args) { int c = 10; Model modelA = new Model(2); Model modelB = new Model(3); } 复制代码
存储结构如下:
从上图中可以看到,在方法区的instantKlass中有一个 int a=1
的数据存储。在堆内存中的两个对象的oop中,分别维护着 int b=3
, int b=2
的实例数据。和oopDesc一样,instantKlass也维护着一些 fields
,用来保存类中定义的类数据,比如 int a=1
。
每一个Java类,在被JVM加载的时候,JVM会给这个类创建一个 instanceKlass
,保存在方法区,用来在JVM层表示该Java类。当我们在Java代码中,使用new创建一个对象的时候,JVM会创建一个 instanceOopDesc
对象,这个对象中包含了两部分信息,对象头以及元数据。对象头中有一些运行时数据,其中就包括和多线程相关的锁的信息。元数据其实维护的是指针,指向的是对象所属的类的 instanceKlass
。