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[讨论交流] 深入分析Java类之HotSpot实现

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开花包的头像 楼主
发表于 2016-12-17 13:58:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
  乘着年轻,多学习

  背景

  最近对Java细节的底层实现比较感兴趣,如Java类文件是如何加载到虚拟机的,类对象和方法是以什么数据结构存在于虚拟机中?虚方法、实例方法和静态方法是如何调用的?本文基于openjdk-7的OpenJDK实现Java类在HotSpot的内部实现进行分析。

  HotSpot内存划分

  在HotSpot实现中,内存被划分成Java堆、方法区、Java栈、本地方法栈和PC寄存器几个部分:

  1、Java栈和本地方法栈用于方法之间的调用,进栈出栈的过程;

  2、Java堆用于存放对象,在Java中,所有对象的创建都在堆上申请内存,并被GC管理;

  3、方法区分成PermGen和CodeCache:PermGen存放Java类的相关信息,如静态变量、成员方法和抽象方法等;CodeCache存放JIT编译之后的本地代码;

  更详细的相关内容可以阅读《JVM内存的那些事》

  HotSpot对象模型

  HotSpot JVM并没有根据Java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,其中oop为Ordinary Object Pointer,用来表示对象的实例信息;klass用来保存描述元数据。

  Klass

u.png


  关于为何要设计oop/klass这种二分模型的实现,一个原因是不想让每个对象都包含vtbl(虚方法表),其中oop中不含有任何虚函数,虚函数表保存于klass中,可以进行method dispatch。

  oop

t.png


  oopDesc对象包含两部分数据:_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是一个结构体,wideKlassOop和narrowOop都指向InstanceKlass对象,其中narrowOop指向的是经过压缩的对象;

  3、_klass字段建立了oop对象与klass对象之间的联系;

  HotSpot如何加载并解析class文件

  class文件在虚拟机的整个生命周期包括加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载7个阶段,通过ClassLoader.loadClass方法可以手动加载一个Java类到虚拟机中,并返回Class类型的引用。

s.png


  这里并没有自定义类加载器,而是利用ClassLoaderCase的类加载器进行加载类AAA。

  loadClass方法实现

r.png


  1、loadClass方法实现了双亲委派的类加载机制,如果需要自定义类加载器,建议重写内部的findClass方法,而非loadClass方法;

  2、通过debug,可以发现loadClass方法最终会执行native方法defineClass1进行类的加载,即读取对应class文件的二进制数据到虚拟机中进行解析;

  class文件的解析

  Java中的defineClass1方法是个native方法,说明依赖于底层的实现,在HotSpot中,其实现位于ClassLoader.c文件中,最终调用jvm.cpp中的jvm_define_class_common方法实现,核心的实现逻辑如下:

q.png


  1、验证全限定类名的长度,最大为(1 << 16) -1,如果长度超过 65535,就会抛出java/lang/NoClassDefFoundError异常,主要原因是constant pool不支持这么长的字符串;

  2、SystemDictionary::resolve_from_stream处理stream数据流,并生成Klass对象。内部通过ClassFileParser.cpp的parseClassFile方法对class文件的数据流进行解析,代码实在实在实在实在太长,有兴趣的同学可以阅读完整的实现,大概的过程如下:

  1、验证当前magic为0xCAFEBABE;

  2、获取class文件的minor_version、major_version,并判断当前虚拟机是否支持该版本;

  3、通过parse_constant_pool方法解析当前class的常量池;

  4、解析当前class的access_flags;

  5、解析当前class的父类;

  6、解析当前class的接口;

  7、....

  好吧,我得承认这块逻辑很复杂...

  class数据流解析完成后,通过oopFactory::new_instanceKlass创建一个与之对应的instanceKlass对象,new_instanceKlass实现如下:

p.png


  1、其中instanceKlassKlass::allocate_instance_klass方法会初始化一个空instanceKlass对象,并由后续逻辑进行数据的填充;

  2、但是发现该方法的返回类型并非是instanceKlass,而是klassOop类型;

  3、allocate_instance_klass方法的实现如下:

o.png


  1、base_create_klass方法最终通过Klass::base_create_klass_oop方法创建Klass对象,这里是instanceKlass对象,并返回对应的klassOop;

  2、k()->klass_part()获取对应的Klass对象,并强制转换成instanceKlass类型的对象;

  3、设置instanceKlass对象的默认值;

  Klass对象如何创建?

  上述的instanceKlass对象由Klass::base_create_klass_oop方法进行创建,实现如下:

n.png


  1、allocate_permanent方法默认在PermGen分配内存,instanceKlass对象保存在永久代区域;

  2、Klass的as_klassOop方法可以获取对应的klassOop,那klassOop到底是什么?

m.png


  klassOop相当于Java中的class,一个klassOop对象包含header、klass_field和Klass。

  instanceKlass

l.png


  可以发现,每个instanceKlass对象都有一个ClassState状态,用来标识当前class的加载进度,另外instanceKlass对象中包含了如下字段,描述class文件的信息。

k.png


  instanceKlassKlass

  instanceKlassKlass在实现上继承了klassKlass类

j.png


  全局只存在一个instanceKlassKlass对象,虚拟机启动时,会在Universe::genesis方法中初始化。

i.png


  虚拟机中所有instanceKlass对象的_klass字段都指向该instanceKlassKlass对象,其初始化过程如下:

h.png


  1、方法Universe::klassKlassObj()获取klassKlass对象;

  2、方法base_create_klass负责创建instanceKlassKlass对象,并返回对应的klassOop;

  3、方法java_lang_Class::create_mirror分配mirror,类似于一个镜像,在java层面可以访问到;

  klassKlass

  klassKlass在实现上继承了Klass类

g.png


  和instanceKlassKlass一样,klassKlass对象也是全局唯一的,虚拟机启动时,会在Universe::genesis方法中初始化,其初始化过程如下:

f.png


  1、通过base_create_klass创建klassKlass对象,并返回对应的klassOop;

  2、set_klass方法把自身设置成_klass;

原文作者:占小狼 来源:开发者头条

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