前言

谈起Java对象，笔者的第一反应是在：Java中的每一个对象（不包括基础类型）都继承于Object对象。相信这也是大多数程序员对Java对象的初次印象，Object可以表示所有的Java对象。但是，这种理解仅仅是停留在语言层面，至于更深的JVM层面，对象还是用Object来表示吗？显然不是。JVM通常使用非Java语言实现，是用来解析并运行Java程序的，它有自己的模型来表示Java语言的各种特性，包括Object。下面我们以HotSpot为例，一起来探讨Java对象在JVM层面的Java对象模型。

HotSpot采用C++语言实现，下文中的JVM如无特殊说明，指的都是HotSpot。

Java程序通过new操作符来创建一个对象，在深入探讨HotSpot的Java对象模型前，我们先看下new操作符的具体实现。

上述代码片段来自HotSpot源码中new操作符的实现函数，先不深入分析每一行的具体含义，这段代码给我们最直观的功能就是：先对klass对象进行初始化工作，然后再用它来创建出oop对象。到这里我们大致就能猜出，oop表示的就是一个Java对象。而这里的klass和Java中的Class之间似乎有着紧密的联系，一是两者的名字非常类似，另外也可通过第16行代码得到进一步的肯定。对Java的反射机制稍微有所了解的人，看着第16行代码一定很熟悉，因为它与使用Class.newInstance()方法来创建Object对象很类似。

实际正如上述所猜测，HotSpot使用Oop-Klass模型来表示Java的对象。

Oop的继承体系

这里的Oop并非是Object-oriented programming，而是Ordinary object pointer（普通对象指针），是HotSpot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，整个继承体系如下所示：

Oop继承体系

每个Java对象都有它独有的生命周期，我们使用new操作符将它创建出来，然后对它执行各式各样的操作（如获取成员属性、调用成员函数、加锁等），最后被GC回收掉。那么Java对象的这一系列经历，JVM又是怎么实现的呢？JVM使用Oop来表示一个Java对象，自然地，这些经历都会跟oop有关。

oop的子类有两个，分别是instanceOop和arrayOop。前者表示Java中普通的对象，后者则表示数组对象。arrayOop也有两个子类，objArrayOop表示普通对象类型的数组，而typeArrayOopDesc则表示基础类型的数组。如下图所示，oop的存储结构主要由对象头和对象体组成。

Java对象的存储结构

oop对象头

oop主要有两个成员属性：

_mark和_metadata被称为对象头，其中前者存储对象的运行时记录信息；后者是一个指针，指向当前对象所属的Klass对象。

因为某些历史原因，HotSpot把markOop放到Oop体系里，但是它并继承oop，因此前文所描述的Oop体系并没有包含它。

markOop的存储结构在32位和64位系统中有所差异，但是具体存储的信息是一样的，本节只介绍它在32位系统中的存储结构。在32位系统中，markOop一共占32位，存储结构如图下所示：

markOop存储结构

从图中可知，诸如对象hash值、线程ID、分代年龄等信息都是存储在markOop中，而且在不同的状态下，其结构也是略有不同。无锁指一个对象没有被加锁时的状态；偏向锁，顾名思义会偏向于第一个访问锁的线程，当同步锁只有一个线程访问时，JVM会将其优化为偏向锁，此时就相当于没有同步语义；当发生多线程竞争时，偏向锁就会膨胀为轻量级锁，后者采用CAS（Compare And Swap）实现，避免了用户态和内核态之间的切换；如果某个线程获取轻量级锁失败，该锁就会继续膨胀为重量级锁，此时JVM会向操作系统申请互斥量，因此性能消耗也是最高的。

oop提供4个方法来判断当前对象处于何种状态下：

从上述代码可知，oop调用markOop的方法来判断当前对象是否已经加锁、是否是偏向锁，markOop则通过判断其存储结构中的标志位来实现，如下列代码所示：

oop对象体

JVM将Java对象的field存储在oop的对象体中，oop提供了一系列的方法来获取和设置field，并且针对每种基础类型都提供了特有的实现。

具体实现如下列代码所示：

由上述代码片段可知，每个field在oop中都有一个对应的偏移量（offset），oop通过该偏移量得到该field的地址，再根据地址得到具体数据。因此，Java对象中的field存储的并不是对象本身，而是对象的地址。

图1-11 Java对象field的存储结构

总结

HotSpot采用Oop-Klass模型来表示Java对象，其中Klass对应着Java对象的类型（Class），而Oop则对应着Java对象的实例（Instance）。Oop是一个继承体系，其中oop是体系中的最高父类，它的存储结构可以分成对象头和对象体。对象头存储的是对象的一些元数据，对象体存储的是具体的成员属性。值得注意的是，如果成员属性属于普通对象类型，则oop只存储它的地址。

我们都知道Java中的普通方法（没有static和final修饰）是动态绑定的，在C++中，动态绑定通过虚函数来实现，代价是每个C++对象都必须维护一张虚函数表。Java的特点就是一切皆是对象，如果每个对象都维护一张虚函数表，内存开销将会非常大。JVM对此做了优化，虚函数表不再由每个对象维护，改成由Class类型维护，所有属于该类型的对象共用一张虚函数表。因此我们并没有在oop上找到方法调用的相关逻辑，这部分的代码被放在了klass里面。

Klass相关的内容将会在下一篇文章《Java的对象模型——Oop-Klass（二）》中介绍。