最近对JVM兴趣大增（其实是想回归C艹的怀抱了）~ 当我们在写Java代码的时候，我们会面对着无数个接口，类，对象和方法。但我们有木有想过，Java中的这些对象、类和方法，在HotSpot JVM中的结构又是怎么样呢？HotSpot JVM底层都是C++实现的，那么Java的对象模型与C++对象模型之间又有什么关系呢？今天就来分析一下HotSpot JVM中的对象模型：oop-klass model，它们的源码位于openjdk-8/openjdk/hotspot/src/share/vm/oops文件夹内。

注：本文对应的OpenJDK版本为openjdk-8u76-b02。对于不同的版本(openjdk-7, openjdk-8, openjdk-9)，其对应的HotSpot JVM的对象模型有些许差别（7和8的差别比较大）

oop-klass model概述

HotSpot JVM并没有根据Java实例对象直接通过虚拟机映射到新建的C++对象，而是设计了一个oop-klass model。

当时第一次看到oop，我的第一反应就是Object-oriented programming，其实这里的oop指的是 Ordinary Object Pointer（普通对象指针），它用来表示对象的实例信息，看起来像个指针实际上是藏在指针里的对象。而klass则包含 元数据和方法信息，用来描述Java类。

那么为何要设计这样一个一分为二的对象模型呢？这是因为HotSopt JVM的设计者不想让每个对象中都含有一个vtable（虚函数表），所以就把对象模型拆成klass和oop，其中oop中不含有任何虚函数，而klass就含有虚函数表，可以进行method dispatch。这个模型其实是参照的 Strongtalk VM 底层的对象模型。

体系总览

在oopsHierarchy.hpp里定义了oop和klass各自的体系。这是oop的体系：

typedef class oopDesc*                            oop;
typedef class   instanceOopDesc*            instanceOop;
typedef class   arrayOopDesc*                    arrayOop;
typedef class     objArrayOopDesc*            objArrayOop;
typedef class     typeArrayOopDesc*            typeArrayOop;

注意由于Java 8引入了Metaspace，OpenJDK 1.8里对象模型的实现与1.7有很大的不同。原先存于PermGen的数据都移至Metaspace，因此它们的C++类型都继承于MetaspaceObj类(定义见vm/memory/allocation.hpp)，表示元空间的数据。

这是元数据的体系：


class   ConstMethod;
class   ConstantPoolCache;
class   MethodData;
class   Method;
class   ConstantPool;
class   CompiledICHolder;

这是klass的体系：


class Klass;
class   InstanceKlass;
class     InstanceMirrorKlass;
class     InstanceClassLoaderKlass;
class     InstanceRefKlass;
class   ArrayKlass;
class     ObjArrayKlass;
class     TypeArrayKlass;

注意klass代表元数据，继承自Metadata类，因此像Method、ConstantPool都会以成员变量（或指针）的形式存在于klass体系中。

以下是JDK 1.7中的类在JDK 1.8中的存在形式：

klassOop->Klass*
klassKlass不再需要
methodOop->Method*
methodDataOop-> MethodData*
constMethodOop -> ConstMethod*
constantPoolOop -> ConstantPool*
constantPoolCacheOop -> ConstantPoolCache*

klass

一个Klass对象代表一个类的元数据（相当于java.lang.Class对象）。它提供：

language level class object (method dictionary etc.)
provide vm dispatch behavior for the object

所有的函数都被整合到一个C++类中。

Klass对象的继承关系：xxxKlass <:< Klass <:< Metadata <:< MetaspaceObj

klass对象的布局如下：

//  Klass layout:
//    [C++ vtbl ptr  ] (contained in Metadata)
//    [layout_helper ]
//    [super_check_offset   ] for fast subtype checks
//    [name          ]
//    [secondary_super_cache] for fast subtype checks
//    [secondary_supers     ] array of 2ndary supertypes
//    [primary_supers 0]
//    [primary_supers 1]
//    [primary_supers 2]
//    ...
//    [primary_supers 7]
//    [java_mirror   ]
//    [super         ]
//    [subklass      ] first subclass
//    [next_sibling  ] link to chain additional subklasses
//    [next_link     ]
//    [class_loader_data]
//    [modifier_flags]
//    [access_flags  ]
//    [last_biased_lock_bulk_revocation_time] (64 bits)
//    [prototype_header]
//    [biased_lock_revocation_count]
//    [_modified_oops]
//    [_accumulated_modified_oops]
//    [trace_id]

oop

oop类型其实是oopDesc*。在Java程序运行的过程中，每创建一个新的对象，在JVM内部就会相应地创建一个对应类型的oop对象。各种oop类的共同基类为oopDesc类。

JVM内部，一个Java对象在内存中的布局可以连续分成两部分：instanceOopDesc和实例数据。instanceOopDesc和arrayOopDesc又称为对象头。

instanceOopDesc对象头包含两部分信息：Mark Word 和 元数据指针(Klass*)：

volatile markOop  _mark;
  union _metadata {
    Klass*      _klass;
    narrowKlass _compressed_klass;
  } _metadata;

分别来看一下：

Mark Word：instanceOopDesc中的_mark成员。它用于存储对象的运行时记录信息，如哈希值、GC分代年龄(Age)、锁状态标志（偏向锁、轻量级锁、重量级锁）、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。Mark Word允许压缩
元数据指针：instanceOopDesc中的_metadata成员，它是联合体，可以表示未压缩的Klass指针(_klass)和压缩的Klass指针。对应的klass指针指向一个存储类的元数据的Klass对象

下面我们来分析一下，执行new A()的时候，JVM Native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::），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。

参考文档