详解Java对象模型Oop-Klass-京东云开发者社区

### 1 引言
Java作为一门面向对象的编程语言，Java中的每一个对象（不包括基础类型）都继承自Object对象， Object可以表示所有的Java对象。但是，在JVM层面，对象还能用Object来表示吗？答案显然是不可以的，拿HotSpot JVM来说，其是由C++实现，其中是没有Object对象的，而是通过特有的一套模型来实现Java语言的各种特性，也就是Oop-Klass对象模型。

下文中所有描述都基于JDK 1.8版本，JVM指的都是HotSpot JVM
### 2 Load
Java文件经过编译器处理后，形成Class文件，虚拟机需要把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，即虚拟机的类加载（Class Loading）机制。其中，加载（Load）是类加载（Class Loading）过程中的一个阶段。

就是说每一个Java类在被虚拟机使用前，都需要被加载（Load），那我们就看下加载（Load）阶段做了什么事情。

从《深入理解Java虚拟机》一书中我们得知，在加载（Load）阶段，虚拟机需要完成3件事情：
1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流
1. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为运行时数据结构
1. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为这个类的各种数据的访问入口

有点懵，什么是运行时数据结构？什么是java.lang.Class对象？既然一时无法明白书上描述的内容具体含义是什么，那我们就从源码入手，看下能否得到一些启发。

从Java类加载器双亲委派模型中可知，如果应用程序没有自定义过自己的类加载器，一般情况下，程序中默认的类加载器就是sun.misc.Launcher$AppClassLoader，通过追踪该类的类加载方法loadClass，其核心调用为defineClass方法。可以发现其中不同支路的defineClass都会定向为native方法defineClass0、defineClass1、defineClass2。这三个native方法的源码实现可见ClassLoader.c，最终都指向了JVM_DefineClassWithSource方法。

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/acf8190e-fee7-498e-a3b8-0afe962883d220211220145238.png)

其内部直接调用了jvm_define_class_common方法

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/7bdf537e-f718-4af6-9745-9dcf7a87b2a120211220145300.png)

我们看到，jvm_define_class_common方法中调用了SystemDictionary::resolve_from_stream方法，创建了一个Klass类型的对象。继续看SystemDictionary::resolve_from_stream方法的实

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/3b4dbaab-5f0e-4f1b-80b6-2045f3f324a620211220145316.png)

从方法注释可以看出，resolve_from_stream方法根据class文件的字节流，向系统中添加了一个klass对象，其中核心方法是调用了ClassFileParser(st).parseClassFile方法

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/cd20fa39-b047-4d80-8b32-cd9ef223bc5a20211220145330.png)

简化parseClassFile方法主流程后，发现该方法中首先调用了InstanceKlass::allocate_instance_klass方法创建一个klass指针，并以该指针作为入参，调用了java_lang_Class::create_mirror方法，依据注释，是分配了一个mirror镜像，并初始化静态属性。

InstanceKlass::allocate_instance_klass方法中只是调用了InstanceKlass类的构造函数创建一个

InstanceKlass对象，没有其他特殊逻辑，由此InstanceKlass对象创建完成，即本节开头提到虚拟机在加载（Load）阶段做的三件事中的第二件：将这个字节流所代表的静态存储结构转化为运行时数据结构，这个InstanceKlass对象就代表了该目标类运行时数据结构。

parseClassFile方法中是用的Klass类型作为了InstanceKlass::allocate_instance_klass方法的返回值，而InstanceKlass::allocate_instance_klass方法实际返回的类型是InstanceKlass，因此可以看出InstanceKlass是Klass的一个子类。

我们继续看下java_lang_Class::create_mirror方法

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/fadaafc6-4a4d-4de8-9b17-9c4df4db7d8820211220145356.png)

这个方法中，主要做了两件事情：

1）分配mirror镜像

SystemDictionary::Class_klass()返回的是指向java.lang.Class类对应的InstanceMirrorKlass对象的指针，然后调用了InstanceMirrorKlass::allocate_instance方法分配mirror镜像，依据注释，该方法分配了一个mirror镜像，即创建了一个java.lang.Class类的实例，即本节开头提到虚拟机在加载（Load）阶段做的三件事中的第三件：在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象。

java.lang.Class也是一个类，和Person、Student等这些自定义的类一样，在Java语言层面，都属于类的定义，只不过java.lang.Class类的功能和自定义类的功能有着很大的区别。至此，本节开头的两个疑问：什么是运行时数据结构？什么是java.lang.Class对象？都得到了回答。

在加载 （Load）目标类的时候，除了会创建目标类的InstanceKlass实例，还会创建一个该目标类对应java.lang.Class对象。

2）初始化mirror镜像中的静态属性

表明类的静态属性都保存在了java.lang.Class对象中

InstanceMirrorKlass::allocate_instance方法

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/bc198baa-9baa-407d-98ab-27d64e33a34320211220145457.png)

可以看到，主要是调用CollectedHeap::Class_obj_allocate方法在JVM堆内存上创建一个instanceOop对象，

java.lang.Class类对象在JVM中的类型为instanceOop

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/b71286ea-8215-4182-8bc6-b4774f53233720211220145518.png)

Class_obj_allocate中有两个入参需要注意一下：

1）KlassHandle klass

往回追溯一下调用次方法的地方，发现klass是一个指向java.lang.Class类对应的InstanceMirrorKlass对象的指针

2）KlassHandle real_klass

这个参数需要追溯到ClassFileParser(st).parseClassFile方法，real_klass代表了刚创建好的InstanceKlass类型的指针

Class_obj_allocate方法首先在堆内存空间中创建了一个oop类型的mirror对象，然后设置该对象的对象头

要注意，该对象头中的Klass Pointer指针指向了入参klass，即指向了java.lang.Class类对应的InstanceMirrorKlass对象

此后将创建的mirror对象中的某个指针指向real_klass，即指向了在ClassFileParser(st).parseClassFile方法中创建的InstanceKlass对象。然后再将在ClassFileParser(st).parseClassFile方法中创建的InstanceKlass对象中的java_mirror指针指向了刚创建的mirror对象（java.lang.Class对象）。

至此，完成了对类的加载（Load）流程的分析，我们发现，在整个整个加载（Load）流程中，主要都是在围绕Klass、InstanceKlass、InstanceMirrorKlass、oop这几个类型的对象进行操作，我们先根据已分析的源码逻辑，对这几个类型的对象进行简单梳理，在完成类的加载（Load）后，内存中对象间的关系大致如下图所示：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/45c24a54-28ab-470a-a88e-78a87488b67420211220145558.png)

类的加载（Load）阶段，JVM创建了两个对象，分别是InstanceOop对象和InstanceKlass对象。

其中InstanceOop对象就是该目标类对应的java.lang.Class类的对象，该对象的对象头中的klass pointer指针指向了java.lang.Class类在内存中的运行时数据结构，一个InstanceMirrorKlass对象；另外该InstanceOop对象还有一个指针ptr，指向了该目标类在内存中的运行时数据结构，一个InstanceKlass对象；此外，该InstanceOop对象中还保存了目标类中的静态属性，该InstanceOop对象亦被称作Java Mirror对象。

InstanceKlass对象代表了该目标类在内存中的运行时数据结构。

这里提到的类的加载（Load）指的是非java.lang.Class类的加载，上图中的InstanceMirrorKlass对象就是由java.lang.Class类经过加载后，JVM创建的对象，代表了java.lang.Class这个类的运行时数据结构。

### 3 new

在虚拟机完成类加载（Class Loading）后，得到了可以被虚拟机直接使用的Java类型。在Java语言中最常用的创建对象的方式就是通过new关键字创建对象，想要了解Java对象在内存中具体的对象模型，就需要看下JVM在创建对象的时候都做了哪些事情（对象创建的完整过程在Hotspot中的源码可见bytecodeIntepreter.cpp）
当JVM读取到字节码指令new时，JVM执行流程如下：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/71c459a3-0320-4d01-85af-4167180edd2220211220145643.png)

首先从当前线程的栈帧中的操作数栈中获取要new的目标类的符号引用在常量池中的索引 （详见文末的注1），根据该索引，从常量池中找出对应的符号引用。根据该符号引用是否已经解析成直接引用，后续创建流程分为两个流程分支：类已解析 和 类未解析。

#### 3.1 类已解析

1）确保该类已经完成初始化

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/1ad9d780-3916-4aa8-b74d-1552d24a85d320211220145706.png)

首先校验该直接引用是否是Klass指针及InstanceKlass指针，并确保目标类已经完成初始化，并且可以使用快速分配的方式创建对象。否则会执行类未解析流程。

2）为新对象分配内存空间

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/0655a2d3-2a30-4ee5-a170-ad4d8b6ff8b420211220145737.png)

获取目标类对象的大小（在编译期已经确定），如果开启了TLAB设置，则在TLAB区域分配对象内存。否则尝试在Eden区域分配对象内存。通过不断尝试占用 当前未分配内存空间的起始地址 往后的 目标类对象的大小 这段内存空间，为对象分配内存空间，即指针碰撞。

3）内存空间初始化及对象头设置

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/5e0394c4-4ad2-4990-82ed-cb7ec11b889820211220145759.png)

如果需要初始化内存空间，则将分配的内存空间都初始化为0，并设置对象头中的Mark Word 和 Klass Pointer。

可以看到，在类已解析流程中，主要是创建了一个oop对象，并设置该oop对象的对象头中的Mark Word及Klass Pointer。其中，Klass Pointer指针指向了k_entry，往回追溯一下，发现k_entry指向的是该目标类的InstanceKlass对象

#### 3.2 类未解析

调用 InterpreterRuntime::_new 方法

第一步获取常量池中的直接引用（详见注1.1），如果该目标类还未初始化，则先进行初始化（此部分代码跳过）。最后调用allocate_instance方法创建oop类型的对象。

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/8f21bb62-65bf-4824-9c3a-6c9d59dc013a20211220145851.png)

看下allocate_instance方法

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/746d582d-381f-4748-8bd9-52545920ccb620211220145910.png)

可以看到主要是调用的CollectedHeap类中的obj_allocate方法创建了一个instanceOop对象，继续跟踪此方法

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/358decec-49f5-4931-931d-6cbf964203c620211220150134.png)

该方法中主要执行了两个步骤：创建oop对象，并设置对象的对象头中的Mark Word和Klass Pointer。

至此，new字节码执行完成。在类未解析流程中，首先初始化目标类，然后通过common_mem_allocate_init方法，在堆内存中创建了目标类的一个oop对象，并设置对象的对象头中的Mark Word和Klass Pointer，这里可以看到，该oop对象的Klass Pointer指针指向的是入参klass，往回追溯一下，发现该klass是该目标类对应的InstanceKlass对象，这里和类已解析流程对应上了。

此外，跟一下common_mem_allocate_init方法，可以发现，不同的垃圾回收器，其分配内存空间的方式是不同的。

执行完new指令后，我们可以看到，JVM创建了一个oop对象，这个oop对象就是我们经常说的Java对象在JVM层面的呈现方式。此外，还将oop对象中的Klass Pointer指针指向了该目标类的InstanceKlass对象。基于此，我们可以把第一节Load中的 内存中对象间的关系图进行丰富，得到下图：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/edba97e6-a84c-4895-b31a-9baaa778abda20211220150259.png)

至此我们初步得到了InstanceMirrorKlass、InstanceOop、InstanceKlass这些对象在内存的相互关系，但是，这些对象到底是什么，他们的数据结构是什么样的，我们都还不清，下面就进行详细了解吧。

### 4 Oop

Oop的全称是Ordinary Object Pointer，意为普通对象指针，而不是Object-Oriented Programming，是HotSpot JVM用来表示Java对象的实例信息的一个体系。其中oop是Oop体系中的最高父类，其继承体系如下，

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/0f84f0f2-3ebe-4501-8dc6-d8df22162a4420211220150344.png)

UML类图：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/7f9e7465-0b21-46c3-af47-6b77cd83dd5a20211220150559.png)

在Java应用程序运行过程中，每创建一个Java对象，在JVM内部也会相应创建一个OOP对象来表示Java对象，OOP类的共同基类型是oopDesc*。根据JVM内部使用的对象类型，具有多种oopDesc子类，其中instanceOopDesc表示普通Java对象实例，arrayOopDesc表示数组对象实例。数组对象实例下又可以分为对象数组实例objArrayOopDesc*和基础数据类型数组实例typeArrayOopDesc*。

回看下Load与new这两节，可以发现，无论是在加载（Load）阶段生成java.lang.Class类的instanceOop即java mirror时，还是在执行new字节码创建生成java对象的instanceOop时，都是调用的collectedHeap中的方法进行的内存分配与创建，因此，instanceOop都是分配在了堆内存空间中

Java对象实例instanceOopDesc的存储结构如图所示：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/f61a280e-36f7-41e1-b06c-ce90152d3ad420211220150919.png)

其主要由对象头、实例数据以及自动对齐三部分组成。

计算Java对象占用内存大小时，就是计算的就是这三部分

1）对象头

从oop.hpp源码来看，对象头中包含了两部分，一部分是markOop类型的对象，用于存储对象的运行时记录信息，如hashCode、GC分代年龄、锁状态等；另一部分是Klass指针的联合体，用于指向当前对象所属的Klass对象，如果开启了指针压缩（-XX:+UseCompressedOops），则使用压缩后的narrowKlass类型指针，如果没有启用指针压缩，则使用Klass类型指针。

此处不对对象头中的内容进行展开，但其中内容值得仔细研究，涉及到很多锁、GC方面的知识

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/c4a0296e-6105-479c-9cce-fba9dc5145f220211220150949.png)

2）实例数据

JVM将Java对象的成员变量也保存在了oop对象中，并提供了一系列的get、set方法，如果成员变量是非基础类型，即普通对象，oop中保存的是其在内存中的地址。

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/dfd5ca8d-6c0f-4c02-a286-1834e767d7ab20211220151025.png)

自动对齐
JVM要求Java的对象占用的内存大小应该是8的倍数个字节，所以在对象头+实例数据所占的内存不满足8的倍数个字节是，会使用一定数量的字节将对象所占内存的大小补充至8的倍数个字节。

### 5 Klass
A Klass provides:
1: language level class object (method dictionary etc.)
2: provide vm dispatch behavior for the object
- 以上是HotSpot JVM对Klass的定义klass.hpp，可以看出，Klass类主要提供了两个功能：用于表示Java语言层面的类的对象，其中保存了Java对象的类型信息，包括类名、限定符、常量池、方法字典等。一个class文件被JVM加载之后，就会形成一个Klass对象存储在内存中
- 为Java对象提供方法调用分派机制

与Oop一样，Klass也有一个继承体系，并在oopsHierarchy.hpp中进行了相关描述：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/7cd8de30-3f45-4c6e-96a5-d7fedbedfa8520211220151116.png)

UML类图：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/036a1554-880b-4b22-93b3-165f8e11797220211220151133.png)

其各自功能如下：

1）instanceKlass：表示一个普通Java类，包含了该类运行时所有信息，即运行时数据结构
- instanceMirrorKlass：表示java.lang.Class类的运行时数据结构
- instanceMirrorKlass只用于描述java.lang.Class这个特定的类的运行时数据结构
- instanceClassLoaderKlass：表示类加载器ClassLoader体系下所有类的运行时数据结构

2）instanceRefKlass：表示java.lang.ref.Reference类及其子类的运行时数据结构
- arrayKlass：表示数组类的运行时数据结构
- objArrayKlass：表示对象数组的运行时数据结构
- typeArrayKlass：表示基础数据类型数组的运行时数据结构

Klass类主要数据结构：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/3844f298-e61c-4d1a-b656-a204814b91a320211220151212.png)

如上述代码片段所示，Klass继承了Metadata，而Metadata继承了MetaspaceObj，MetaspaceObj就是JDK 1.8中“元空间”的实现，这就意味着，Java对象的类型信息存储在元空间，而不是在堆中。另外，Klass中还存储了当前类所属的java.lang.Class对象对应的oop，即java mirror，以及其父类、子类的Klass指针。

InstanceKlass继承了Klass，其主要的数据结构：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/2413a38b-5c76-4b5b-8a6f-20a982b9702f20211220151235.png)

其中，_methods数组对象代表该类的所有方法；_fields成员变量代表当前类所有字段信息，包括成员变量和静态变量，但是不是保存的变量的真实内容。_fields中的每个元素代表了当前field的偏移量信息，这些偏移量用于在oop中找到对应field的地址。成员变量的field偏移量用于在Java Object对应的oop中找到对应的field地址；静态变量的field偏移量用于在java mirror对应的oop中找到对应的field地址。

InstanceKlass中有两个字段：_vtable_len与_itable_len，其分别代表了该类的虚函数表的长度及接口函数表的长度，与之相关的虚函数表vatble、接口函数表itable是Java实现多态的基础，有兴趣的同学可以了解一下。

至此，我们了解了Oop与Klass的相关概念，以及其各自所处的内存区域，那么我们可以通过一段具体的代码示例，来描述Java对象模型了。代码示例：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/e01212de-8b00-48e5-9b32-a38262f767c820211220151255.png)

当应用程序代码执行
Animal animalA = new Animal();
Animal animalB = new Animal();这两行代码后，通过前面几节的分析，内存中的对象布局为：

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/141b94ac-f71e-4215-973e-de50398ea41020211220151312.png)

在创建了两个Animal类型的对象animalA和animalB后，在堆内存中，会有两个instanceOop类型的java对象instanceOop：animalA和instanceOop：animalB，它们中的_klass指针都指向了元空间中描述Animal类运行时数据结构的instanceKlass对象instanceKlass：Animal(一个)。instanceKlass：Animal中的methods数组中包含一个指向描述了say方法的Method对象的Method指针，此外instanceKlass：Animal中的_java_mirror指向了堆内存中的Animal类对应java.lang.Class对象instanceOop：java mirror-Animal(一个)。 instanceOop：java mirror-Animal中的_klass指针又指向了元空间中的java.lang.Class类的运行时数据结构instanceMirrorKlass对象instanceMirrorKlass：java.lang.Class(一个)。这就是Java对象模型Oop-Klass。

### 6 总结

本文结合Java对象创建的具体过程：Java classLoader -> class文件的加载（Load） -> Klass对象的创建 -> 创建对象（new）-> Oop对象的创建，从JVM源码层面对该过程的主体流程进行了分析介绍。在HotSpot JVM中，创建Java对象时，并不是直接单独创建一个C++对象与之形成映射，而是采用oop-klass模型，分别创建了oop、klass、java-mirror对象，该模型也是Java中能够使用Class cls = obj.getClass();这样的方式进行反射调用的基础，通过oop -> klass ->java mirror调用链，获取到java.lang.Class对象，进行反射相关方法的使用。

#### 注1：根据类索引查找全限定名
首先看下两个示例类的定义

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/4359f45b-b974-42a7-a8e8-25373f1a2a0620211220151345.png)

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/d6478640-3d5c-4f06-bd65-b099ea02a76720211220151353.png)

通过javap -verbose Client.class命令查看Client类的字节码信息

![](//img1.jcloudcs.com/developer.jdcloud.com/843b3ece-25fa-4782-9cff-798837c5fe2820211220151408.png)

该字节码信息中主要包含了两部分信息：
1. Client类的常量池信息；
1. Client类中所有方法的字节码指令，包含构造函数、自定义实例方法以及静态方法，由于没有示例代码中没有静态方法，所以只能看到构造函数Client()和自定义示例方法doSomething()的字节码信息。

从doSomething()方法的字节码中可以看到，执行Animal animal = new Animal()这一行代码时，执行的字节码指令是new，其后紧跟的#2代表了Animal类在Client类常量池中的类索引，用于确定Animal的全限定名。在常量池表中可以看到，第二个常量信息为CONSTANT_Class_Info类型的常量池结构，其代表了类或接口的符号引用（参见《深入理解Java虚拟机》第2版6.3.2节）。

回看JVM源码中的u2 index = Bytes::get_Java_u2(pc+1)。JVM在执行new字节码指令时，会将#2对应的操作数Ox0002写入调用doSomething()方法的线程的栈帧中的操作数栈中，即完成入栈操作。随后通过Bytes::get_Java_u2(pc+1)方法完成出栈操作，获取到要创建的类（Animal）在常量池中索引index。再通过constants->tag_at(index)即可获得constantTag类型的Animal类的符号引用，通过constantTag对象的is_unresolved_klass方法就可以知道Animal类有没有完成解析。如果该类已经完成了解析，即可根据该索引，通过ConstantPool对象的klass_at方法，获取该类的直接引用，即该类的instanceKlass对象的内存地址。

附：JDK8 HotSpot JVM源码http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/hotspot

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###### 作者：柏海龙