JVM中的oop-klass内存模型-京东云开发者社区

只要是对JVM有所了解的,或多或少的都知道oop-klass模型.那么什么是oop-klass模型?

> JVM内部基于oop-klass模型描述一个java类,将一个java类分为两个部分进行描述,其中第一个模型是oop,第二个模型是klass.

接下来,本文从以下几个角度进行讲解:

1. 宏观: 从整体上描述一下oop-klass模型
2. 微观: 从类的继承结构上进行讲述,加深理解

# 宏观

JVM使用oop-klass这种模型来描述一个java类.虽然模型有2个,但是确实从3个不同的角度去看待java类的:

1. **实例数据角度: jvm使用oop来保存用户的实例数据**
2. **元数据角度: jvm将类的元数据保存到了klass模型中**
3. **方法分发规则: 为了实现多态,jvm 采用了 vtable,itable技术,而vtable,itable 就是保存在klass模型中.**

如图所示:
![oop-klass模型](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/61698983-deeb-42b4-8152-e64b9b5688fc20210106000903.jpeg)

那么这里有一个知识点: 什么是vtable,itable呢?

简要概括就是:

**vtable: 该类所有的函数（除了static, final）和 父类的函数虚拟表。**

**Itable: 该类所有实现接口的函数列表.**

## oop-klass体系概览

JVM中使用了oop,klass,handle 这三个类来描述oop-klass.需要注意一点的是: 这三个类不仅能够描述外在的java类,也能描述JVM内在的类型(如 constantPoolOop).

oop,klass之前有介绍了,那么handle是啥意思?

handle 是对oop的行为的封装.这里需要注意的是:

1. 大多数情况下,JVM在访问java类时是一定通过handle的_handle 来得到oop,再通过oop获得对应的klass,这样,handle就能够访问oop的函数了.
2. 如果是调用JVM内部的c++类所对应的oop函数,则不需要通过handle,直接通过oop拿到指定的klass即可.

其中的关系如下:

![oop-klass-handle](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/c0d86bee-3d08-4fe6-8ff0-822bf5e9c77620210106000929.jpeg)

# 微观

## oop

oop 就是 ordinary object pointer,也即普通对象指针.oop成员众多,其类图如下:

![oop类图](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/9972b088-f835-4e62-9123-157fee4414d320210106001643.jpeg)

这里有个问题,不是说xxxoop吗?怎么类图上怎么就是xxxppDesc了?
原因在于: oopsHierarchy.hpp 中进行了如下定义:

```
typedef class oopDesc*                            oop; 
typedef class   instanceOopDesc*            instanceOop; 
typedef class   methodOopDesc*                    methodOop; 
typedef class   constMethodOopDesc*            constMethodOop; 
typedef class   methodDataOopDesc*            methodDataOop; 
typedef class   arrayOopDesc*                    arrayOop; 
typedef class     objArrayOopDesc*            objArrayOop; 
typedef class     typeArrayOopDesc*            typeArrayOop; 
typedef class   constantPoolOopDesc*            constantPoolOop; 
typedef class   constantPoolCacheOopDesc*   constantPoolCacheOop; 
typedef class   symbolOopDesc*                    symbolOop;
typedef class   klassOopDesc*                    klassOop; 
typedef class   markOopDesc*                    markOop; 
typedef class   compiledICHolderOopDesc*    compiledICHolderOop;
```
其中各类的说明如下:
<table><tr><td>类名</td><td>说明</td></tr><tr><td> oop </td><td>oop的顶级父类</td></tr><tr><td> instanceOop </td><td>表示java类实例</td></tr><tr><td> methodOop </td><td>表示java方法</td></tr><tr><td> constMethodOop </td><td>表示java方法中的只读信息(其实就是字节码指令)</td></tr><tr><td> methodDataOop </td><td>表示性能统计的相关数据</td></tr><tr><td> arrayOop </td><td>数组对象,定义了数组oops的抽象基类</td></tr><tr><td> objArrayOop </td><td>表示引用类型数组对象</td></tr><tr><td> typeArrayOop </td><td>表示基本类型数组对象</td></tr><tr><td> constantPoolOop </td><td>表示java字节码文件中的常量池</td></tr><tr><td> constantPoolCacheOop </td><td>与constantPoolOop 相伴生,是后者的缓存对象,缓存了字段和方法的访问信息,为允许时环境快速访问字段和方法提供重要作用</td></tr> <tr><td> symbolOop </td><td> symbolOop是规范化字符串。所有symbolOop都位于全局符号表中。</td></tr><tr><td> klassOop </td><td>指向jvm内部的klass实例的对象</td></tr> <tr><td> markOop </td><td>oop 的标记对象,表示对象头</td></tr> <tr><td> compiledICHolderOop </td><td>内联缓存实现的帮助器对象。它包含从编译到解释调用转换时使用的中间值（method+klass对）,总是分配在永久区（以避免在清除期间遍历codecache）</td></tr></table>

## klass

klass: 按照官方解释,klass 主要提供下面2种能力:

1. klass 提供一个与java类对等的c++类型描述
2. klass 提供虚拟机内部的函数分发机制

其类图如下:

![klass类图](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/96ae69ef-fce7-4ba2-81ba-3771dfa4c38520210106001254.jpeg)

## handle

handle 部分的类图如下:

![handle类图](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/5eb1e153-052f-4680-96ac-73b4839c7a8620210106001220.jpeg)

通过对比三者可以发现: handle 分别给oop和klass定义了不同的体系?这与我们之前给handle的定义有出入--> **handle 是对oop的行为的封装.**

那么这部分的原因很简单: 在jvm中,使用oop-klass这种一分为二的模型去描述java类以及JVM内部的特殊类,为此JVM内部定义了各种oop和klass类型.**但是,对于每一个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内部又会被封装成oop.**

**JVM在加载类时,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会通过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方法分发表(当然,二者的回收时机是不同的).为了让GC即能回收oop也能回收klass,因此oop本身被封装成oop,klass也被封装成oop.**

## 三者关系的实现

1. handle与oop关联:

在handle继承体系中, handle这个顶层类中,定义了如下字段:
   
   ```
    oop* _handle;
   ```
    而该字段会在实例化的时候,会通过构造器进行赋值:
   
    ```
    Handle::Handle(Thread* thread, oop obj) {
	  assert(thread == Thread::current(), "sanity check");
	  if (obj == NULL) {
	    _handle = NULL;
	     } else {
	    _handle = thread->handle_area()->allocate_handle(obj);
	  }
	 }
	 
	inline Handle::Handle(oop obj) {
	  if (obj == NULL) {
	    _handle = NULL;
	  } else {
	    _handle = Thread::current()->handle_area()->allocate_handle(obj);
	  }
	}
    ```
   
2. oop与klass进行关联:

oopDesc做为oop体系的顶层类,其中定义了如下字段:
   
   ```
    union _metadata {
    wideKlassOop    _klass;
    narrowOop       _compressed_klass;
    } _metadata;
   ```
   
    而wideKlassOop类型为:klassOopDesc*
    narrowOop类型为:uint32_t(jdk 1.6)
   
    当开启了指针压缩时,会使用narrowOop,反之,使用wideKlassOop 来指向klassOopDesc.
   
    该字段会通过oopDesc::set_klass(klassOop k) 来进行设置,如下:
   
    ```
    inline void oopDesc::set_klass(klassOop k) {
	  // since klasses are promoted no store check is needed
	  assert(Universe::is_bootstrapping() || k != NULL, "must be a real klassOop");
	  assert(Universe::is_bootstrapping() || k->is_klass(), "not a klassOop");
	  if (UseCompressedOops) {
	    oop_store_without_check(compressed_klass_addr(), (oop)k);
	  } else {
	    oop_store_without_check(klass_addr(), (oop) k);
	  }
	}
    ```

> 作者：何佳瑞