HSDB: 16张图带你看见JVM中的Java对象

vlambda
2021-06-15

HSDB: 16张图带你看见JVM中的Java对象

我们写代码的时候，前端传递参数给后端，后端都会有一个对象来负责参数接收，同样的JVM内部也有一个模型来表示Java对象，而这个就是oop-Klass模型。

Hotspot虚拟机在内部使用两组类来表示Java的类和对象

oop(ordinary object pointer)用来描述对象实例信息
kclass用来描述Java类，是虚拟机内部Java类型结构的对等体

class-in-jvm

JVM内部基于OOP-Klass模型描述一个Java类，将一个Java类一拆为二，第一个是oop,第二个是klass.

oop是ordinary object pointer(普通对象指针), 它用来表示对象的实例信息(Java类实例对象中各个属性在运行期的值)。

以上代码在https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk8-b29/hotspot/src/share/vm/oops/oop.hpp

从注释中我们可以知道oopDesc是对象类的顶级基础类，{name}Desc用来描述Java对象格式，从而可以在C++中访问到它。Java中万物皆为对象，所以C++中将方法，常量，数组等都抽象成为了对象，可以用oop来表示

而klass则包含元数据和方法信息，用来描述Java类或者JVM内部自带的C++类型信息。比如Java类的继承信息、成员变量、静态变量、成员方法、构造函数等信息都在klass中保存，JVM根据这个可以在运行期反射出Java类的全部结构信息。JVM根据这个就能在运行期反射出Java类的全部结构信息。

同样的和oop一样，klass也是成体系的，它也有很多子类，这里我就不列举出来了，我们可以看一个instanceKlass的定义

由于mirror也是一个instanceKlass，所以它包含了instanceKlass所包含的一切字段

执行 new A() 的时候，JVM native 层里发生了什么。首先，如果这个类没有被加载过，JVM 就会进行类的加载，并在 JVM 内部创建一个 instanceKlass 对象表示这个类的运行时元数据（相当于 Java 层的 Class 对象）。

到初始化的时候（执行 invokespecial A::<init>），JVM 就会创建一个instanceOopDesc对象表示这个对象的实例，然后进行 Mark Word 的填充，将元数据指针指向 Klass 对象，并填充实例变量。

根据对 JVM 的理解，我们可以想到，元数据—— instanceKlass 对象会存在元空间（方法区），而对象实例—— instanceOopDesc 会存在 Java 堆。Java 虚拟机栈中会存有这个对象实例的引用。

handle体系

JVM内部访问对象并不是直接通过oop，而是通过handle,handle封装了oop,handle是对普通对象的一种间接引用，那JVM内部为什么要什么这种间接引用呢？

这完全是为GC考虑。

通过handle，能够让GC知道其内部代码有哪些地方持有GC管理对象的引用，只需要扫描handle对应的table,这样JVM无须关注其内部哪些地方持有对普通对象的引用。
GC过程中，如果发生了对象移动(比如从新生代移动到老年代),那么JVM内部引用无须跟着更改为被移动对象的新地址，JVM只需要更改handle table里面对应的指针即可。

在JVM中为了方便回收oop和klass(oop在堆中,klass处于metaspace),会将这两个对象封装成 oop

https://github.com/openjdk/jdk/blob/jdk8-b29/hotspot/src/share/vm/runtime/handles.hpp

在handles.hpp被编译后，会分别出现oop和klass对应的handle,

比如

# 类实例handle
instanceHandle

# 方法实例handle
methodHandle

......

# 类元结构handle
instanceKlassHandle

# 方法元结构handle
methodKlassHandle

......

jvm在具体描述一个类型时，会使用oop(其实这里是oopDesc)去存储这个类型的实例数据，使用klass去存储这个类型的元数据和虚方法表。当一个类型完成其生命周期后，需要将这两部分都回收，因此将 oop封装成oop,klass也封装成oop。

可能有点绕，换个说法。

比如我们将JVM内部描述类信息模型叫做data-meta模型，将jvm内部的oop体系的类名全部改成Data结尾，比如instanceData, methodData。

klass体系的类改成以Meta结尾，比如 methodMeta, instanceMeta, JVM再进行GC时，即要回收Data类实例，也要回收Meta类实例，为了让GC方便回收，因此对于每一个Meta和Data类，JVM在内部将其封装成了oop模型。

对于Data类，内存布局前面是oop对象头，后面紧跟实例数据；对于Meta类，其内存布局是前面是oop对象头，后面紧跟实例数据和方发表。封装成oop之后，再进一步使用handle来封装，于是有利于GC内存回收。

查看Java对象在内存中的样子

为了让梦想照进现实，我们使用HSDB来查看JAVA对象在JVM中长什么样子,我们使用下面的代码来进行测试

public class MyClassTest {

  private static String name = "think123";
  private static int age = 18;
  private static String staticString = "test";
  private String desc = "heheda";

  public static void main(String[] args) 
                      throws IOException {
    MyClassTest test = new MyClassTest();
    hello("zhangsan");
    System.in.read();
  }
  private static String hello(String otherName) {
    return name + " : " + otherName;
  }
}

我的java是安装在 C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_172\lib，所以在这个目录下执行以下命令启动HSDB

java -cp sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

然后启动我们的程序(启动时最好关闭指针压缩：-XX:-UseCompressedOops)，使用jps -l命令查看java进程id, 然后选择 File --> Attach to Hotspot Process,输入java进程id

查看OOP

Tools--> Inspector查看对应的oop对象。

不过这种方式比较麻烦，我们可以使用Tools --> Object Histogram的方式来查看

找到对应的对象后，双击打开，然后点击Inspect

查看Klass

而在Method中我们则可以看到方法对应的字节码

常量池中这是MyClass中的常量(比如引用类全限定名，方法名，常量，LocalNumberTable,LocalVariableTable等)

hsdb-klass-structure.png

klass中的Method的定义: https://github.com/openjdk/jdk/blob/61bb6eca3e34b3f8382614edccd167f7ecefba65/src/hotspot/share/oops/method.hpp

可以看到，它的结构和我们最开始列出来的instanceKlass layout是一样的。

总结

我们需要记住的是在JVM内部实例对象和Class是分别使用不同的数据结构来表示的(oop,Klass),我们可以借助HSDB工具来查看它们在JVM中的数据结构。

而我们常用到的反射，只所以能拿到那些字段，方法，接口等这些参数全是因为借助了Klass来实现的。

同时我们还可以借助它来查看常量池，比如困扰大家的intern问题，就可以结合HSDB来分析。

think123

以前最开始看小说的时候，那会儿异界修仙流比较出名，过程倒是记不住了，但是各个等级还是印象颇深。

炼气筑基金丹元婴离合渡劫大乘

如果程序员也有这种级别认定的话，那或许也是一件不错的事儿,每次升级都大吼一声

"键来!"

参考书籍

《揭秘Java虚拟机-JVM设计原理与实现》

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