上一篇文章中簡(jiǎn)單介紹過synchronized關(guān)鍵字的方式，其中，同步代碼塊使用monitorenter和monitorexit兩個(gè)指令實(shí)現(xiàn)，同步方法使用ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)記符實(shí)現(xiàn)。后面幾篇文章會(huì)從JVM源碼的角度更加深入，層層剝開synchronized的面紗。

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在進(jìn)入正題之前，肯定有些基礎(chǔ)知識(shí)需要鋪墊，那么先來看一下一個(gè)容易被忽略的但是又很重要的知識(shí)點(diǎn) —— Java對(duì)象模型 。

大家都知道的是，Java對(duì)象保存在堆內(nèi)存中。在內(nèi)存中，一個(gè)Java對(duì)象包含三部分：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充。其中對(duì)象頭是一個(gè)很關(guān)鍵的部分，因?yàn)閷?duì)象頭中包含鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖等標(biāo)志。這篇文章就主要從Java對(duì)象模型入手，找一找我們關(guān)系的對(duì)象頭以及對(duì)象頭中和鎖相關(guān)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)在JVM中是如何表示的。

Java的對(duì)象模型

任何一個(gè)接觸過Java的人都知道，Java是一種面向?qū)ο笳Z(yǔ)言。在學(xué)習(xí)Java的過程中你一定對(duì)下面兩句話不陌生：

1、在面向?qū)ο蟮能浖?，?duì)象（Object）是某一個(gè)類（Class）的實(shí)例。

2、一切皆對(duì)象

我們還知道，在JVM的內(nèi)存結(jié)構(gòu)中，對(duì)象保存在堆內(nèi)存中，而我們?cè)趯?duì)對(duì)象進(jìn)行操作時(shí)，其實(shí)操作的是對(duì)象的引用。那么對(duì)象本身在JVM中的結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？本文的所有分析均基于HotSpot虛擬機(jī)。

oop-klass model

HotSpot是基于c++實(shí)現(xiàn)，而c++是一門面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，本身是具備面向?qū)ο蠡咎卣鞯模訨ava中的對(duì)象表示，最簡(jiǎn)單的做法是為每個(gè)Java類生成一個(gè)c++類與之對(duì)應(yīng)。但HotSpot JVM并沒有這么做，而是設(shè)計(jì)了一個(gè)OOP-Klass Model。OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通對(duì)象指針，而Klass用來描述對(duì)象實(shí)例的具體類型。

為什么HotSpot要設(shè)計(jì)一套o(hù)op-klass model呢？答案是：HotSopt JVM的設(shè)計(jì)者不想讓每個(gè)對(duì)象中都含有一個(gè)vtable（虛函數(shù)表）

這個(gè)解釋似乎可以說得通。眾所周知，C++和Java都是面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，面向?qū)ο笳Z(yǔ)言有一個(gè)很重要的特性就是多態(tài)。關(guān)于多態(tài)的實(shí)現(xiàn)，C++和Java有著本質(zhì)的區(qū)別。

• 多態(tài)是面向?qū)ο蟮淖钪饕奶匦灾唬且环N方法的動(dòng)態(tài)綁定，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)的類型決定對(duì)象的行為。多態(tài)的表現(xiàn)形式是父類指針或引用指向子類對(duì)象，在這個(gè)指針上調(diào)用的方法使用子類的實(shí)現(xiàn)版本。多態(tài)是IOC、模板模式實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

在C++中通過虛函數(shù)表的方式實(shí)現(xiàn)多態(tài)，每個(gè)包含虛函數(shù)的類都具有一個(gè)虛函數(shù)表（virtual table），在這個(gè)類對(duì)象的地址空間的最靠前的位置存有指向虛函數(shù)表的指針。在虛函數(shù)表中，按照聲明順序依次排列所有的虛函數(shù)。由于C++在運(yùn)行時(shí)并不維護(hù)類型信息，所以在編譯時(shí)直接在子類的虛函數(shù)表中將被子類重寫的方法替換掉。

在Java中，在運(yùn)行時(shí)會(huì)維持類型信息以及類的繼承體系。每一個(gè)類會(huì)在方法區(qū)中對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于存放類的信息，可以通過Class對(duì)象訪問這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中，類型信息具有superclass屬性指示了其超類，以及這個(gè)類對(duì)應(yīng)的方法表（其中只包含這個(gè)類定義的方法，不包括從超類繼承來的）。而每一個(gè)在堆上創(chuàng)建的對(duì)象，都具有一個(gè)指向方法區(qū)類型信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，通過這個(gè)指針可以確定對(duì)象的類型。

上面這段是我從網(wǎng)上摘取過來的，說的有一定道理，但是也不全對(duì)。至于為啥，我會(huì)在后文介紹到Klass的時(shí)候細(xì)說。

關(guān)于opp-klass模型的整體定義，在HotSpot的源碼中可以找到。

oops模塊可以分成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分：OOP框架和Klass框架。

在oopsHierarchy.hpp里定義了oop和klass各自的體系。

oop

oop體系：

//定義了oops共同基類 
typedef class   oopDesc*                            oop; 
//表示一個(gè)Java類型實(shí)例 
typedef class   instanceOopDesc*            instanceOop; 
//表示一個(gè)Java方法 
typedef class   methodOopDesc*                    methodOop; 
//表示一個(gè)Java方法中的不變信息 
typedef class   constMethodOopDesc*            constMethodOop; 
//記錄性能信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 
typedef class   methodDataOopDesc*            methodDataOop; 
//定義了數(shù)組OOPS的抽象基類 
typedef class   arrayOopDesc*                    arrayOop; 
//表示持有一個(gè)OOPS數(shù)組 
typedef class   objArrayOopDesc*            objArrayOop; 
//表示容納基本類型的數(shù)組 
typedef class   typeArrayOopDesc*            typeArrayOop; 
//表示在Class文件中描述的常量池 
typedef class   constantPoolOopDesc*            constantPoolOop; 
//常量池告訴緩存 
typedef class   constantPoolCacheOopDesc*   constantPoolCacheOop; 
//描述一個(gè)與Java類對(duì)等的C++類 
typedef class   klassOopDesc*                    klassOop; 
//表示對(duì)象頭 
typedef class   markOopDesc*                    markOop; 

上面列出的是整個(gè)Oops模塊的組成結(jié)構(gòu)，其中包含多個(gè)子模塊。每一個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)類型，每一個(gè)類型的OOP都代表一個(gè)在JVM內(nèi)部使用的特定對(duì)象的類型。

從上面的代碼中可以看到，有一個(gè)變量opp的類型是oppDesc ，OOPS類的共同基類型為oopDesc。

class oopDesc { 
  friend class VMStructs; 
 private: 
  volatile markOop  _mark; 
  union _metadata { 
    wideKlassOop    _klass; 
    narrowOop       _compressed_klass; 
  } _metadata; 
} 

在Java程序運(yùn)行過程中，每創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象，在JVM內(nèi)部就會(huì)相應(yīng)地創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)類型的OOP對(duì)象。在HotSpot中，根據(jù)JVM內(nèi)部使用的對(duì)象業(yè)務(wù)類型，具有多種oopDesc的子類。除了oppDesc類型外，opp體系中還有很多instanceOopDesc、arrayOopDesc 等類型的實(shí)例，他們都是oopDesc的子類。

這些OOPS在JVM內(nèi)部有著不同的用途，例如，instanceOopDesc表示類實(shí)例，arrayOopDesc表示數(shù)組。也就是說，當(dāng)我們使用new創(chuàng)建一個(gè)Java對(duì)象實(shí)例的時(shí)候，JVM會(huì)創(chuàng)建一個(gè)instanceOopDesc對(duì)象來表示這個(gè)Java對(duì)象。同理，當(dāng)我們使用new創(chuàng)建一個(gè)Java數(shù)組實(shí)例的時(shí)候，JVM會(huì)創(chuàng)建一個(gè)arrayOopDesc對(duì)象來表示這個(gè)數(shù)組對(duì)象。

在HotSpot中，oopDesc類定義在oop.hpp中，instanceOopDesc定義在instanceOop.hpp中，arrayOopDesc定義在arrayOop.hpp中。

簡(jiǎn)單看一下相關(guān)定義：

class instanceOopDesc : public oopDesc { 
} 
 
class arrayOopDesc : public oopDesc { 
} 

通過上面的源碼可以看到，instanceOopDesc實(shí)際上就是繼承了oopDesc，并沒有增加其他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也就是說instanceOopDesc中包含兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：markOop _mark和union _metadata。

這里的markOop你可能又熟悉了，這不就是OOPS體系中的一部分嗎，上面注釋中已經(jīng)說過，他表示對(duì)象頭。 _metadata是一個(gè)聯(lián)合體，這個(gè)字段被稱為元數(shù)據(jù)指針。指向描述類型Klass對(duì)象的指針。

HotSpot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中存儲(chǔ)的布局可以分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充。在虛擬機(jī)內(nèi)部，一個(gè)Java對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)instanceOopDesc的對(duì)象，該對(duì)象中有兩個(gè)字段分別表示了對(duì)象頭和實(shí)例數(shù)據(jù)。那就是_mark和_metadata。

文章開頭我們就說過，之所以我們要寫這篇文章，是因?yàn)閷?duì)象頭中有和鎖相關(guān)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，這些運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)是synchronized以及其他類型的鎖實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。因?yàn)楸疚闹饕榻B的oop-klass模型，在這里暫時(shí)不對(duì)對(duì)象頭做展開，下一篇文章介紹。

前面介紹到的_metadata是一個(gè)共用體，其中_klass是普通指針，_compressed_klass是壓縮類指針。在深入介紹之前，就要來到oop-Klass中的另外一個(gè)主角klass了。

klass

klass體系 

//klassOop的一部分，用來描述語(yǔ)言層的類型 
class  Klass; 
//在虛擬機(jī)層面描述一個(gè)Java類 
class   instanceKlass; 
//專有instantKlass，表示java.lang.Class的Klass 
class     instanceMirrorKlass; 
//專有instantKlass，表示java.lang.ref.Reference的子類的Klass 
class     instanceRefKlass; 
//表示methodOop的Klass 
class   methodKlass; 
//表示constMethodOop的Klass 
class   constMethodKlass; 
//表示methodDataOop的Klass 
class   methodDataKlass; 
//最為klass鏈的端點(diǎn)，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類型的抽象基類 
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; 

和oopDesc是其他oop類型的父類一樣，Klass類是其他klass類型的父類。

Klass向JVM提供兩個(gè)功能：

• 實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言層面的Java類（在Klass基類中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)）
• 實(shí)現(xiàn)Java對(duì)象的分發(fā)功能（由Klass的子類提供虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)）

文章開頭的時(shí)候說過：之所以設(shè)計(jì)oop-klass模型，是因?yàn)镠otSopt JVM的設(shè)計(jì)者不想讓每個(gè)對(duì)象中都含有一個(gè)虛函數(shù)表。

HotSopt JVM的設(shè)計(jì)者把對(duì)象一拆為二，分為klass和oop，其中oop的職能主要在于表示對(duì)象的實(shí)例數(shù)據(jù)，所以其中不含有任何虛函數(shù)。而klass為了實(shí)現(xiàn)虛函數(shù)多態(tài)，所以提供了虛函數(shù)表。所以，關(guān)于Java的多態(tài)，其實(shí)也有虛函數(shù)的影子在。

_metadata是一個(gè)共用體，其中_klass是普通指針，_compressed_klass是壓縮類指針。這兩個(gè)指針都指向instanceKlass對(duì)象，它用來描述對(duì)象的具體類型。

instanceKlass

JVM在運(yùn)行時(shí)，需要一種用來標(biāo)識(shí)Java內(nèi)部類型的機(jī)制。在HotSpot中的解決方案是：為每一個(gè)已加載的Java類創(chuàng)建一個(gè)instanceKlass對(duì)象，用來在JVM層表示Java類。

來看下instanceKlass的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

//類擁有的方法列表 
  objArrayOop     _methods; 
  //描述方法順序 
  typeArrayOop    _method_ordering; 
  //實(shí)現(xiàn)的接口 
  objArrayOop     _local_interfaces; 
  //繼承的接口 
  objArrayOop     _transitive_interfaces; 
  //域 
  typeArrayOop    _fields; 
  //常量 
  constantPoolOop _constants; 
  //類加載器 
  oop             _class_loader; 
  //protected域 
  oop             _protection_domain; 
      .... 

可以看到，一個(gè)類該具有的東西，這里面基本都包含了。

這里還有個(gè)點(diǎn)需要簡(jiǎn)單介紹一下。

在JVM中，對(duì)象在內(nèi)存中的基本存在形式就是oop。那么，對(duì)象所屬的類，在JVM中也是一種對(duì)象，因此它們實(shí)際上也會(huì)被組織成一種oop，即klassOop。同樣的，對(duì)于klassOop，也有對(duì)應(yīng)的一個(gè)klass來描述，它就是klassKlass，也是klass的一個(gè)子類。klassKlass作為oop的klass鏈的端點(diǎn)。關(guān)于對(duì)象和數(shù)組的klass鏈大致如下圖：

在這種設(shè)計(jì)下，JVM對(duì)內(nèi)存的分配和回收，都可以采用統(tǒng)一的方式來管理。oop-klass-klassKlass關(guān)系如圖：

內(nèi)存存儲(chǔ)

關(guān)于一個(gè)Java對(duì)象，他的存儲(chǔ)是怎樣的，一般很多人會(huì)回答：對(duì)象存儲(chǔ)在堆上。稍微好一點(diǎn)的人會(huì)回答：對(duì)象存儲(chǔ)在堆上，對(duì)象的引用存儲(chǔ)在棧上。今天，再給你一個(gè)更加顯得牛逼的回答：

對(duì)象的實(shí)例（instantOopDesc)保存在堆上，對(duì)象的元數(shù)據(jù)（instantKlass）保存在方法區(qū)，對(duì)象的引用保存在棧上。

其實(shí)如果細(xì)追究的話，上面這句話有點(diǎn)故意賣弄的意思。因?yàn)槲覀兌贾?。方法區(qū)用于存儲(chǔ)虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。 所謂加載的類信息，其實(shí)不就是給每一個(gè)被加載的類都創(chuàng)建了一個(gè) instantKlass對(duì)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); 
} 

存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下：

總結(jié)

每一個(gè)Java類，在被JVM加載的時(shí)候，JVM會(huì)給這個(gè)類創(chuàng)建一個(gè)instanceKlass，保存在方法區(qū)，用來在JVM層表示該Java類。當(dāng)我們?cè)贘ava代碼中，使用new創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，JVM會(huì)創(chuàng)建一個(gè)instanceOopDesc對(duì)象，這個(gè)對(duì)象中包含了兩部分信息，方法頭以及元數(shù)據(jù)。對(duì)象頭中有一些運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，其中就包括和多線程相關(guān)的鎖的信息。元數(shù)據(jù)其實(shí)維護(hù)的是指針，指向的是對(duì)象所屬的類的instanceKlass。

【本文是51CTO專欄作者Hollis的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號(hào)Hollis(ID：hollischuang)】

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