Hotspot Oop模型

Java对象通过Oop来表示。Oop指的是 Ordinary Object Pointer（普通对象指针）。在 Java 创建对象实例的时候创建，用于表示对象的实例信息。也就是说，在 Java 应用程序运行中每创建一个 Java 对象，在 JVM 内部都会创建一个 Oop 对象来表示 Java 对象。

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Oop涉及到的相关类的继承关系如下图所示。

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OopDesc用于保存类实例属性，包含每个实例独享的非静态属性和所有实例共享的静态属性，其中非静态属性由表示普通Java类的InstanceKlass对应的OopDesc保存，静态属性是表示特殊的java.lang.Class类的InstanceMirrorKlass对应的OopDesc保存的。数组的数据是由ArrayKlass对应的OopDesc保存，会按照维度记录每个数组元素的取值。OopDesc保存了一个指向InstanceKlass或者ArrayKlass的指针，Java类实例通过此指针可以调用Java方法或者获取静态属性。下面逐一探讨各Klass对应的OopDesc的类定义和内存结构。

类继承结构

oopDesc类是用于表示Java对象的基类，各种{name}Desc描述了Java对象的构成，这样C++可以访问Java对象的字段，注意oopDesc没有任何虚方法。其类继承结构如下图：

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oopDesc

oopDesc包含的属性如下：

• _mark：volatile markOopDesc指针，markOopDesc是oopDesc的子类，用于描述对象头，因为保证对象状态变更在各CPU种同步，所以加volatile修饰

• _metadata：是一个union结构，用于表示该oopDesc关联的Klass，使用压缩指针时，就设置其中的_compressed_klass属性，如下图：

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• _bs：BarrierSet指针，BarrierSet提供了屏障实现和系统其它部分之间的接口，是静态属性，必须初始化

除属性相关的方法外，oopDesc定义了如下几类方法：

• 根据偏移量获取不同类型的Java字段的地址，如byte_field_addr，int_field_addr，obj_field_addr等
• 指针压缩和解压缩的方法，如decode_heap_oop，encode_heap_oop等
• 加载存储堆外对象的方法，如load_heap_oop，store_heap_oop等，堆外对象应该是指元空间中的对象
• 根据偏移量获取和设置不同类型的Java字段的方法，如byte_field，byte_field_put等
• 跟GC相关的方法，如age，incr_age，is_gc_marked等

markOopDesc

markOopDesc继承自oopDesc，用于描述对象头，oopDesc中的_mark属性引用的并不是一个真实存在的markOopDesc实例，只是一个字宽大小的无效内存地址罢了，对象状态不同，不同位数对应的含义各不相同，如下图：

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红框中是对象状态，前面是不同位数的含义，注释不一定准确，以具体方法实现为准。其中hash表示对象的hash码，JVM规定了hash码最大不超过31位，所以32位和64位下hash码占的位数都是31；age记录垃圾回收时的对象年龄；biased_lock表示偏向锁的状态，0表示无锁，1表示有锁；lock表示锁的状态，00表示该对象加了轻量级锁如偏向锁，自旋锁等，此时前面的JavaThread指针指向当前线程栈的头部，01是无锁，10表示该对象加了重量级锁ObjectMonitor，比如synchronized同步用的对象，此时前面的JavaThread指针指向重量级锁对象ObjectMonitor，11是GC标志，用于标记对象；epoch是偏向锁使用的状态标识，

markOopDesc定义很多根据对象头获取对象状态信息的方法，如判断对象是否上锁的is_locked，判断对象是否有对象锁的has_monitor方法，如下图：

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其中mask_bits是取指定位数的值，value(）返回的就是this指针，如下图：

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测试代码如下：

package jvmTest;
 
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.RuntimeMXBean;
 
 
public class MarkTest implements Runnable{
 
    private static Object obj=new Object();
 
    @Override
    public void run() {
        synchronized (obj){
            try {
                Thread.sleep(600000);
                System.out.println("MarkTest,thread id="+Thread.currentThread().getId());
            } catch (InterruptedException e) {
 
            }
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) {
        Thread a=new Thread(new MarkTest());
        a.start();
        Thread b=new Thread(new MarkTest());
        b.start();
        System.out.println("thread start");
        while (true) {
            try {
                System.out.println(getProcessID());
                Thread.sleep(600 * 1000);
            } catch (Exception e) {
 
            }
        }
    }
 
    public static final int getProcessID() {
        RuntimeMXBean runtimeMXBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean();
        System.out.println(runtimeMXBean.getName());
        return Integer.valueOf(runtimeMXBean.getName().split("@")[0])
                .intValue();
    }
}

先通过MarkTest对应的Klass的_java_mirror属性找到静态对象obj的地址，如下图：

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然后用mem查看该obj对象的_mark属性的内存值，如下图：

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根据_mark属性获取ObjectMonitor地址的方法如下图：

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monitor_value的取值就是2，二进制就是10，进行异或运算后的地址是0x00000000177cab98，用printas命令查看该对象，如下图：

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也可在Monitor Cache Dump中查看所有的ObjectMonitor，如下图：

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InstanceOopDesc

instanceOopDesc继承自oopDesc，用于表示普通的Java对象，每次new一个Java对象就会创建一个新的instanceOopDesc实例。该类没有添加新的属性，只是新增了两个方法，base_offset_in_bytes()用于返回包含OopDesc自身属性的内存的偏移量，即该偏移量之后的内存用于保存Java对象实例属性,contains_field_offset(int offset, int nonstatic_field_size)用于判断是否包含指定偏移量的非静态属性。

instanceOopDesc是如何保存Java对象实例的属性了？可以从oopDesc定义的根据偏移量获取字段值和设置字段值的方法实现找答案。基本类型字段的实现都是在oopDesc的地址的基础上加上一个偏移量算出该字段的地址，偏移量的单位是字节，各字段的偏移量和初始值等属性都保存在InstanceKlass的_fields属性中，根据该地址可以直接获取或者设置字段值，以int为例，如下图：

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int_field_addr就是获取该int类型字段的地址，其实现如下：

现将this地址转换成char指针，因为[]的优先级高于&，即先对char指针执行[offset],最后取第offset个元素的地址，相当于把char指针指向的地址加上offset。

对象类型的字段因为涉及指针压缩比较复杂，如下图：

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obj_field_addr的实现同基本类型一样，如下图：

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如果是指针压缩则获取字段值时先对指针解压缩，更新字段值时先对指针压缩，否则直接对指针地址操作：

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指针压缩和解压缩的逻辑分别如下，其中Universe是表示Java堆内存的对象，代码位于oop.inline.hpp中：

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注意指针压缩包含两种，Java对象类型字段的oop指针和oopDesc引用Klass的指针，分别对应两个参数UseCompressedOops和UseCompressedClassPointers，上图的代码是针对前一种指针，第二种指针的压缩和解压缩逻辑类似，如下，代码位于klass.inline.hpp中：

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测试代码如下：

package jvmTest;
 
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.RuntimeMXBean;
 
class D{
    private String s="test";
    private int a=2;
    private long b=5;
 
    public D() {
    }
}
 
public class MainTest3 {
 
    public static void main(String[] args) {
        new D();
 
        while (true) {
            try {
                System.out.println(getProcessID());
                Thread.sleep(600 * 1000);
            } catch (Exception e) {
 
            }
        }
    }
 
    public static final int getProcessID() {
        RuntimeMXBean runtimeMXBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean();
        System.out.println(runtimeMXBean.getName());
        return Integer.valueOf(runtimeMXBean.getName().split("@")[0])
                .intValue();
    }
}

先从Stack Memory中找到对象D的地址，如下图：

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然后在Inspect中查看属性值，如下图：

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接着用mem命令查看其内存数据，如下图：

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可以在Class Browser中查看各字段的偏移量，如下图：

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字段b的偏移量是16，long占8个字节，所以b对应的内存就是第3个8字节；字段s的偏移量是24，因为对象按8字节对齐，所以s对应的oop指针没有压缩，对应的内存就是第4个8字节，将其地址复制到Inspect查看，如下图：

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字段a的偏移量是12，应该是第二个8字节的后面4字节，为啥跑前面去了？答案是Intel按照little endian的方式存储，内存中实际存储的a和_compressed_klass的内存区域与上图是反过来的，Java在打印时做了一道转换。

把D的属性稍微调整下，以验证oop指针压缩，如下图：

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获取其内存结构如下：

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属性偏移量如下图：

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同上，字段a和_compressed_klass，字段a和字段s的内存位置也是看起来反了，字段s这回压缩了。

arrayOopDesc

arrayOopDesc继承自oopDesc，该类是所有数组OopDesc的基类，同InstanceOopDesc，该类没有任何虚方法，为了避免在类实例中引入虚函数表。arrayOopDesc同InstanceOopDesc的内存布局是不一样的，除OopDesc定义的属性外还需保存数组的长度，数组元素的取值。
该类添加了几个跟数组相关的方法，如下：

 int base_offset_in_bytes(BasicType type)：获取首元素的偏移量
void* base(BasicType type): 获取首元素的地址
 bool is_within_bounds(int index)：index是否数组越界
 int length()：获取数组的长度
void set_length(int length)： 设置数组长度
 int32_t max_array_length(BasicType type): 获取数组的最大长度

其中获取和设置数组长度的方法实现如下：

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从代码可知数组长度保存在_metadata属性的后面，类型为int，占4字节，这也决定了数组的最大长度不能超过int的最大值。

typeArrayOopDesc

typeArrayOopDesc继承自arrayOopDesc，用于表示数组元素是基本类型如int，long等的数组。跟InstanceOopDesc类似，该类定义了根据索引操作不同类型数组元素的方法，如下图：

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int_at_addr是获取该索引处元素的地址，如下图：

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T_INT是枚举BasicType中表示int类型的枚举值，base是arrayOopDesc中定义的，用于获取首元素的地址。

测试代码如下：

public class MainTest3 {
 
    public static void main(String[] args) {
 
        int a[]={1,2,3,4};
 
        while (true) {
            try {
                System.out.println(getProcessID());
                Thread.sleep(600 * 1000);
            } catch (Exception e) {
 
            }
        }
    }
 
    public static final int getProcessID() {
        RuntimeMXBean runtimeMXBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean();
        System.out.println(runtimeMXBean.getName());
        return Integer.valueOf(runtimeMXBean.getName().split("@")[0])
                .intValue();
    }
}

先从Stack Memory中获取int数组变量a，如下图：

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从Inspect 查看该地址，如下图：

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使用mem查看其内存表示，如下图：

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第二个8字节前4字节是数组长度4，后面4字节是_compressed_klass属性，第三个8字节前4字节是索引为1的元素，后4字节是索引为0的元素，第四个8字节前4字节是索引为3的元素，后4字节是索引为2的元素。同上因为Intel的little endian的存储方式，实际存储的顺序跟图中的顺序是反过来的，即数组元素在内存中是按照索引的顺序依次来存储的。

objArrayOopDesc

objArrayOopDesc继承自arrayOopDesc，用于表示元素是对象的数组，包括多维数组。同typeArrayOopDesc，该类增加了根据索引获取和设置数组的方法，同样需要根据配置对指针做压缩解压缩处理，如下图：

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获取元素首地址的实现如下，跟获取基本类型的数组首元素地址基本一样：

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测试用例如下：

class D{
    private int a;
    private int b;
 
    public D(int a,int b) {
        this.a=a;
        this.b=b;
    }
}
 
public class MainTest3 {
 
    public static void main(String[] args) {
 
        D[] d={new D(1,2),new D(3,4)};
        D[][] d2={{new D(1,2),new D(3,4)},{new D(5, 6)}};
 
 
        while (true) {
            try {
                System.out.println(getProcessID());
                Thread.sleep(600 * 1000);
            } catch (Exception e) {
 
            }
        }
    }
 
    public static final int getProcessID() {
        RuntimeMXBean runtimeMXBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean();
        System.out.println(runtimeMXBean.getName());
        return Integer.valueOf(runtimeMXBean.getName().split("@")[0])
                .intValue();
    }
}

用Stack Memory找到D数组变量d和d2的地址，如下图：

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三个ObjArray是按照变量入栈的顺序保存的，从上到下依次是d2,d和main方法的入参args，用Inspect查看变量d，如下图：

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用mem查看变量d的内存表示，如下图：

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第二个8字节分别是数组长度和_compressed_klass属性，第三个8字节分别是索引为1和0的两个压缩oop指针。

同样的方式查看二维数组d2，如下图：

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变量d2对应的objArrayOopDesc的数组元素是一维数组的 objArrayOopDesc的压缩指针。从上面示例可以得出针对oopDesc的指针压缩实际就是把前面的8个0去掉而已。