JVM 源码分析之 Java 对象头实现





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“365篇原创计划”第十一篇。



今天呢！灯塔君跟大家讲：



JVM源码分析之Java对象头实现



HotSpot虚拟机中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据和对齐填充。



对象头



对象头包括两部分：Mark Word 和 类型指针。



Mark Word



Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，占用内存大小与虚拟机位长一致。



类型指针



类型指针指向对象的类元数据，虚拟机通过这个指针确定该对象是哪个类的实例。



markOop实现



HotSpot通过markOop类型实现Mark Word，具体实现位于markOop.hpp文件中。



由于对象需要存储的运行时数据很多，考虑到虚拟机的内存使用，markOop被设计成一个非固定的数据结构，以便在极小的空间存储尽量多的数据，根据对象的状态复用自己的存储空间，32位虚拟机的markOop实现如下：





hash： 保存对象的哈希码



age： 保存对象的分代年龄



biased_lock： 偏向锁标识位



lock： 锁状态标识位



JavaThread：* 保存持有偏向锁的线程ID



epoch： 保存偏向时间戳



markOop：中不同的锁标识位，代表着不同的锁状态：





不同的锁状态，存储着不同的数据：





markOop中提供了大量方法用于查看当前对象头的状态，以及更新对象头的数据，为synchronized锁的实现提供了基础。



下面来看看代码吧：



首先定义两个简单的类AAA和BBB





通过``javap -c AAA```查看编译之后的字节码,具体如下:





Java中的new关键字对应jvm中的new指令，定义在InterpreterRuntime类中，实现如下：





new指令的实现过程：



1、其中pool是AAA的constant pool，此时AAA的class已经加载到虚拟机中，new指令后面的#2表示BBB类全限定名的符号引用在constant pool的位置；



2、方法pool->klass_at负责返回BBB对应的klassOop对象，实现如下：





如果常量池中指定位置（#2）的数据已经是个oop类型，说明BBB的class已经被加载并解析过，则直接通过(klassOop)entry.get_oop()返回klassOop；否则表示第一次使用BBB，需要解析BBB的符号引用，并加载BBB的class类，生成对应的instanceKlass对象，并更新constant pool中对应位置的符号引用；

3、klass->check_valid_for_instantiation可以防止抽象类被实例化；



4、klass->initialize实现如下：





如果BBB的instanceKlass对象已经初始化完成，则直接返回；否则通过initialize_impl方法进行初始化，整个初始化算法分成11步，具体实现如下：



step1



通过ObjectLocker在初始化之前进行加锁，防止多个线程并发初始化。



step2



step3



如果当前instanceKlass处于being_initialized状态，且被当前线程初始化，则直接返回。



其实对于这个step的处理我有疑问，什么情况会走到这一步？经过RednaxelaFX大大提点，如下情况会执行



step3：

例如A类有静态变量指向一个new B类实例，B类里又有静态变量指向new A类实例，这样外部用A时要初始化A类，初始化过程中又要触发B类初始化，B类初始化又再次触发A类初始化。



如果当前instanceKlass处于fully_initialized状态，说明已经初始化完成，则直接返回；



step5



如果当前instanceKlass处于initialization_error状态，说明初始化失败了，抛出异常。



step6



设置当前instanceKlass的状态为 being_initialized；设置初始化线程为当前线程。





如果当前instanceKlass不是接口类型，并且父类不为空，且还未初始化，则执行父类的初始化。



step8



通过thisoop->callclass_initializer方法执行静态块代码，实现如下：





this_oop->class_initializer()可以获取静态代码块入口，最终通过JavaCalls::call执行代码块逻辑，再下一层就是具体操作系统的实现了。



step9



如果初始化过程没有异常，说明instanceKlass对象已经初始完成，则设置当前instanceKlass的状态为 fully_initialized，最后通知其它线程初始化已经完成；否则执行step10 and 11。



step10 and 11



如果初始化发生异常，则设置当前instanceKlass的状态为 initialization_error，并通知其它线程初始化发生异常。

5、如果instanceKlass初始化完成，klass->allocate_instance会在堆内存创建instanceOopDesc对象，即类的实例化；.



instanceOopDesc



当在Java中new一个对象时，本质是在堆内存创建一个instanceOopDesc对象。





instanceOopDesc在实现上继承自oopDesc，其中oopDesc定义如下：





当然，这只是 oopDesc的部分实现，oopDesc包含两个数据成员：_mark 和 _metadata。



1、_mark是markOop类型对象，用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，占用内存大小与虚拟机位长一致，更具体的实现可以阅读 《java对象头的HotSpot实现分析》



2、_metadata是一个联合体，其中wideKlassOop和narrowOop都是指向InstanceKlass对象的指针，wide版是普通指针，narrow版是压缩类指针（compressed Class pointer）



instanceOopDesc对象的创建过程





instanceOopDesc对象通过instanceKlass::allocate_instance进行创建，实现过程如下：



1、has_finalizer判断当前类是否包含不为空的finalize方法；



2、size_helper确定创建当前对象需要分配多大内存；



3、CollectedHeap::obj_allocate从堆中申请指定大小的内存，并创建instanceOopDesc对象，实现如下：





4、如果当前类重写了finalize方法，且非空，需要把生成的对象封装成Finalizer对象并添加到 Finalizer链表中，对象被GC时，如果是Finalizer对象，会将对象赋值到pending对象。Reference Handler线程会将pending对象push到queue中，Finalizer线程poll到对象，先删除掉Finalizer链表中对应的对象，然后再执行对象的finalize方法；

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