原標(biāo)題：JVM源碼分析之Java對(duì)象頭實(shí)現(xiàn)

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“365篇原創(chuàng)計(jì)劃”第十一篇。

今天呢！燈塔君跟大家講：

JVM源碼分析之Java對(duì)象頭實(shí)現(xiàn)

HotSpot虛擬機(jī)中，對(duì)象在內(nèi)存中的布局分為三塊區(qū)域：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充。

對(duì)象頭

對(duì)象頭包括兩部分：Mark Word 和 類型指針。

Mark Word

Mark Word用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼(HashCode)、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等等，占用內(nèi)存大小與虛擬機(jī)位長(zhǎng)一致。

類型指針

類型指針指向?qū)ο蟮念愒獢?shù)據(jù)，虛擬機(jī)通過這個(gè)指針確定該對(duì)象是哪個(gè)類的實(shí)例。

markOop實(shí)現(xiàn)

HotSpot通過markOop類型實(shí)現(xiàn)Mark Word，具體實(shí)現(xiàn)位于markOop.hpp文件中。

由于對(duì)象需要存儲(chǔ)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)很多，考慮到虛擬機(jī)的內(nèi)存使用，markOop被設(shè)計(jì)成一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便在極小的空間存儲(chǔ)盡量多的數(shù)據(jù)，根據(jù)對(duì)象的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間，32位虛擬機(jī)的markOop實(shí)現(xiàn)如下：

hash： 保存對(duì)象的哈希碼

age： 保存對(duì)象的分代年齡

biased_lock： 偏向鎖標(biāo)識(shí)位

lock： 鎖狀態(tài)標(biāo)識(shí)位

JavaThread：* 保存持有偏向鎖的線程ID

epoch： 保存偏向時(shí)間戳

markOop：中不同的鎖標(biāo)識(shí)位，代表著不同的鎖狀態(tài)：

不同的鎖狀態(tài)，存儲(chǔ)著不同的數(shù)據(jù)：

markOop中提供了大量方法用于查看當(dāng)前對(duì)象頭的狀態(tài)，以及更新對(duì)象頭的數(shù)據(jù)，為synchronized鎖的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

下面來看看代碼吧：

首先定義兩個(gè)簡(jiǎn)單的類AAA和BBB

通過``javap -c AAA```查看編譯之后的字節(jié)碼,具體如下:

Java中的new關(guān)鍵字對(duì)應(yīng)jvm中的new指令，定義在InterpreterRuntime類中，實(shí)現(xiàn)如下：

new指令的實(shí)現(xiàn)過程：

1、其中pool是AAA的constant pool，此時(shí)AAA的class已經(jīng)加載到虛擬機(jī)中，new指令后面的#2表示BBB類全限定名的符號(hào)引用在constant pool的位置；

2、方法pool->klass_at負(fù)責(zé)返回BBB對(duì)應(yīng)的klassOop對(duì)象，實(shí)現(xiàn)如下：

如果常量池中指定位置(#2)的數(shù)據(jù)已經(jīng)是個(gè)oop類型，說明BBB的class已經(jīng)被加載并解析過，則直接通過(klassOop)entry.get_oop()返回klassOop；否則表示第一次使用BBB，需要解析BBB的符號(hào)引用，并加載BBB的class類，生成對(duì)應(yīng)的instanceKlass對(duì)象，并更新constant pool中對(duì)應(yīng)位置的符號(hào)引用；

3、klass->check_valid_for_instantiation可以防止抽象類被實(shí)例化；

4、klass->initialize實(shí)現(xiàn)如下：

如果BBB的instanceKlass對(duì)象已經(jīng)初始化完成，則直接返回；否則通過initialize_impl方法進(jìn)行初始化，整個(gè)初始化算法分成11步，具體實(shí)現(xiàn)如下：

step1

通過ObjectLocker在初始化之前進(jìn)行加鎖，防止多個(gè)線程并發(fā)初始化。

step2

step3

如果當(dāng)前instanceKlass處于being_initialized狀態(tài)，且被當(dāng)前線程初始化，則直接返回。

其實(shí)對(duì)于這個(gè)step的處理我有疑問，什么情況會(huì)走到這一步？經(jīng)過RednaxelaFX大大提點(diǎn)，如下情況會(huì)執(zhí)行step3：

例如A類有靜態(tài)變量指向一個(gè)new B類實(shí)例，B類里又有靜態(tài)變量指向new A類實(shí)例，這樣外部用A時(shí)要初始化A類，初始化過程中又要觸發(fā)B類初始化，B類初始化又再次觸發(fā)A類初始化。

如果當(dāng)前instanceKlass處于fully_initialized狀態(tài)，說明已經(jīng)初始化完成，則直接返回；

step5

如果當(dāng)前instanceKlass處于initialization_error狀態(tài)，說明初始化失敗了，拋出異常。

step6

設(shè)置當(dāng)前instanceKlass的狀態(tài)為 being_initialized；設(shè)置初始化線程為當(dāng)前線程。

如果當(dāng)前instanceKlass不是接口類型，并且父類不為空，且還未初始化，則執(zhí)行父類的初始化。

step8

通過thisoop->callclass_initializer方法執(zhí)行靜態(tài)塊代碼，實(shí)現(xiàn)如下：

this_oop->class_initializer()可以獲取靜態(tài)代碼塊入口，最終通過JavaCalls::call執(zhí)行代碼塊邏輯，再下一層就是具體操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)了。

step9

如果初始化過程沒有異常，說明instanceKlass對(duì)象已經(jīng)初始完成，則設(shè)置當(dāng)前instanceKlass的狀態(tài)為 fully_initialized，最后通知其它線程初始化已經(jīng)完成；否則執(zhí)行step10 and 11。

step10 and 11

如果初始化發(fā)生異常，則設(shè)置當(dāng)前instanceKlass的狀態(tài)為 initialization_error，并通知其它線程初始化發(fā)生異常。

5、如果instanceKlass初始化完成，klass->allocate_instance會(huì)在堆內(nèi)存創(chuàng)建instanceOopDesc對(duì)象，即類的實(shí)例化；.

instanceOopDesc

當(dāng)在Java中new一個(gè)對(duì)象時(shí)，本質(zhì)是在堆內(nèi)存創(chuàng)建一個(gè)instanceOopDesc對(duì)象。

instanceOopDesc在實(shí)現(xiàn)上繼承自oopDesc，其中oopDesc定義如下：

當(dāng)然，這只是 oopDesc的部分實(shí)現(xiàn)，oopDesc包含兩個(gè)數(shù)據(jù)成員：_mark 和 _metadata。

1、_mark是markOop類型對(duì)象，用于存儲(chǔ)對(duì)象自身的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)，如哈希碼(HashCode)、GC分代年齡、鎖狀態(tài)標(biāo)志、線程持有的鎖、偏向線程ID、偏向時(shí)間戳等等，占用內(nèi)存大小與虛擬機(jī)位長(zhǎng)一致，更具體的實(shí)現(xiàn)可以閱讀 《java對(duì)象頭的HotSpot實(shí)現(xiàn)分析》

2、_metadata是一個(gè)聯(lián)合體，其中wideKlassOop和narrowOop都是指向InstanceKlass對(duì)象的指針，wide版是普通指針，narrow版是壓縮類指針(compressed Class pointer)

instanceOopDesc對(duì)象的創(chuàng)建過程

instanceOopDesc對(duì)象通過instanceKlass::allocate_instance進(jìn)行創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)過程如下：

1、has_finalizer判斷當(dāng)前類是否包含不為空的finalize方法；

2、size_helper確定創(chuàng)建當(dāng)前對(duì)象需要分配多大內(nèi)存；

3、CollectedHeap::obj_allocate從堆中申請(qǐng)指定大小的內(nèi)存，并創(chuàng)建instanceOopDesc對(duì)象，實(shí)現(xiàn)如下：

4、如果當(dāng)前類重寫了finalize方法，且非空，需要把生成的對(duì)象封裝成Finalizer對(duì)象并添加到 Finalizer鏈表中，對(duì)象被GC時(shí)，如果是Finalizer對(duì)象，會(huì)將對(duì)象賦值到pending對(duì)象。Reference Handler線程會(huì)將pending對(duì)象push到queue中，Finalizer線程poll到對(duì)象，先刪除掉Finalizer鏈表中對(duì)應(yīng)的對(duì)象，然后再執(zhí)行對(duì)象的finalize方法；

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總結(jié)

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