原文轉載：http://www.hollischuang.com/archives/1910
上一篇文章中簡單介紹過synchronized關鍵字的方式，其中，同步代碼塊使用monitorenter和monitorexit兩個指令實現，同步方法使用ACC_SYNCHRONIZED標記符實現。后面幾篇文章會從JVM源碼的角度更加深入，層層剝開synchronized的面紗。
在進入正題之前，肯定有些基礎知識需要鋪墊，那么先來看一下一個容易被忽略的但是又很重要的知識點 —— Java對象模型 。
大家都知道的是，Java對象保存在堆內存中。在內存中，一個Java對象包含三部分：對象頭、實例數據和對齊填充。其中對象頭是一個很關鍵的部分，因為對象頭中包含鎖狀態標志、線程持有的鎖等標志。這篇文章就主要從Java對象模型入手，找一找我們關系的對象頭以及對象頭中和鎖相關的運行時數據在JVM中是如何表示的。
Java的對象模型
任何一個接觸過Java的人都知道，Java是一種面向對象語言。在學習Java的過程中你一定對下面兩句話不陌生：
1、在面向對象的軟件中，對象（Object）是某一個類（Class）的實例。 維基百科
2、一切皆對象 Thinking In Java
我們還知道，在JVM的內存結構中，對象保存在堆內存中，而我們在對對象進行操作時，其實操作的是對象的引用。那么對象本身在JVM中的結構是什么樣的呢？本文的所有分析均基于HotSpot虛擬機。
oop-klass model
HotSpot是基于c++實現，而c++是一門面向對象的語言，本身是具備面向對象基本特征的，所以Java中的對象表示，最簡單的做法是為每個Java類生成一個c++類與之對應。但HotSpot JVM并沒有這么做，而是設計了一個OOP-Klass Model。OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通對象指針，而Klass用來描述對象實例的具體類型。
為什么HotSpot要設計一套oop-klass model呢？答案是：HotSopt JVM的設計者不想讓每個對象中都含有一個vtable（虛函數表）
這個解釋似乎可以說得通。眾所周知，C++和Java都是面向對象的語言，面向對象語言有一個很重要的特性就是多態。關于多態的實現，C++和Java有著本質的區別。
多態是面向對象的最主要的特性之一，是一種方法的動態綁定，實現運行時的類型決定對象的行為。多態的表現形式是父類指針或引用指向子類對象，在這個指針上調用的方法使用子類的實現版本。多態是IOC、模板模式實現的關鍵。
在C++中通過虛函數表的方式實現多態，每個包含虛函數的類都具有一個虛函數表（virtual table），在這個類對象的地址空間的最靠前的位置存有指向虛函數表的指針。在虛函數表中，按照聲明順序依次排列所有的虛函數。由于C++在運行時并不維護類型信息，所以在編譯時直接在子類的虛函數表中將被子類重寫的方法替換掉。
在Java中，在運行時會維持類型信息以及類的繼承體系。每一個類會在方法區中對應一個數據結構用于存放類的信息，可以通過Class對象訪問這個數據結構。其中，類型信息具有superclass屬性指示了其超類，以及這個類對應的方法表（其中只包含這個類定義的方法，不包括從超類繼承來的）。而每一個在堆上創建的對象，都具有一個指向方法區類型信息數據結構的指針，通過這個指針可以確定對象的類型。
上面這段是我從網上摘取過來的，說的有一定道理，但是也不全對。至于為啥，我會在后文介紹到Klass的時候細說。
關于opp-klass模型的整體定義，在HotSpot的源碼中可以找到。
oops模塊可以分成兩個相對獨立的部分：OOP框架和Klass框架。
在oopsHierarchy.hpp里定義了oop和klass各自的體系。
oop-klass結構
oop體系：
//定義了oops共同基類
typedef class oopDesc* oop;
//表示一個Java類型實例
typedef class instanceOopDesc* instanceOop;
//表示一個Java方法
typedef class methodOopDesc* methodOop;
//表示一個Java方法中的不變信息
typedef class constMethodOopDesc* constMethodOop;
//記錄性能信息的數據結構
typedef class methodDataOopDesc* methodDataOop;
//定義了數組OOPS的抽象基類
typedef class arrayOopDesc* arrayOop;
//表示持有一個OOPS數組
typedef class objArrayOopDesc* objArrayOop;
//表示容納基本類型的數組
typedef class typeArrayOopDesc* typeArrayOop;
//表示在Class文件中描述的常量池
typedef class constantPoolOopDesc* constantPoolOop;
//常量池告訴緩存
typedef class constantPoolCacheOopDesc* constantPoolCacheOop;
//描述一個與Java類對等的C++類
typedef class klassOopDesc* klassOop;
//表示對象頭
typedef class markOopDesc* markOop;
上面列出的是整個Oops模塊的組成結構，其中包含多個子模塊。每一個子模塊對應一個類型，每一個類型的OOP都代表一個在JVM內部使用的特定對象的類型。
從上面的代碼中可以看到，有一個變量opp的類型是oppDesc ，OOPS類的共同基類型為oopDesc。
在Java程序運行過程中，每創建一個新的對象，在JVM內部就會相應地創建一個對應類型的OOP對象。在HotSpot中，根據JVM內部使用的對象業務類型，具有多種oopDesc的子類。除了oppDesc類型外，opp體系中還有很多instanceOopDesc、arrayOopDesc 等類型的實例，他們都是oopDesc的子類。
這些OOPS在JVM內部有著不同的用途，例如，instanceOopDesc表示類實例，arrayOopDesc表示數組。也就是說，當我們使用new創建一個Java對象實例的時候，JVM會創建一個instanceOopDesc對象來表示這個Java對象。同理，當我們使用new創建一個Java數組實例的時候，JVM會創建一個arrayOopDesc對象來表示這個數組對象。
在HotSpot中，oopDesc類定義在oop.hpp中，instanceOopDesc定義在instanceOop.hpp中，arrayOopDesc定義在arrayOop.hpp中。
簡單看一下相關定義：
class oopDesc {
friend class VMStructs;
private:
volatile markOop _mark;
union _metadata {
wideKlassOop _klass;
narrowOop _compressed_klass;
} _metadata;
private:
// field addresses in oop
void* field_base(int offset) const;
jbyte* byte_field_addr(int offset) const;
jchar* char_field_addr(int offset) const;
jboolean* bool_field_addr(int offset) const;
jint* int_field_addr(int offset) const;
jshort* short_field_addr(int offset) const;
jlong* long_field_addr(int offset) const;
jfloat* float_field_addr(int offset) const;
jdouble* double_field_addr(int offset) const;
address* address_field_addr(int offset) const;
}
class instanceOopDesc : public oopDesc {
}
class arrayOopDesc : public oopDesc {
}
通過上面的源碼可以看到，instanceOopDesc實際上就是繼承了oopDesc，并沒有增加其他的數據結構，也就是說instanceOopDesc中主要包含以下幾部分數據：markOop _mark和union _metadata 以及一些不同類型的 field。
HotSpot虛擬機中，對象在內存中存儲的布局可以分為三塊區域：對象頭、實例數據和對齊填充。在虛擬機內部，一個Java對象對應一個instanceOopDesc的對象。其中對象頭包含了兩部分內容：_mark和_metadata，而實例數據則保存在oopDesc中定義的各種field中。
_mark
文章開頭我們就說過，之所以我們要寫這篇文章，是因為對象頭中有和鎖相關的運行時數據，這些運行時數據是synchronized以及其他類型的鎖實現的重要基礎，而關于鎖標記、GC分代等信息均保存在_mark中。因為本文主要介紹的oop-klass模型，在這里暫時不對對象頭做展開，下一篇文章介紹。
_metadata
前面介紹到的_metadata是一個共用體，其中_klass是普通指針，_compressed_klass是壓縮類指針。在深入介紹之前，就要來到oop-Klass中的另外一個主角klass了。
klass
klass體系
//klassOop的一部分，用來描述語言層的類型
class Klass;
//在虛擬機層面描述一個Java類
class instanceKlass;
//專有instantKlass，表示java.lang.Class的Klass
class instanceMirrorKlass;
//專有instantKlass，表示java.lang.ref.Reference的子類的Klass
class instanceRefKlass;
//表示methodOop的Klass
class methodKlass;
//表示constMethodOop的Klass
class constMethodKlass;
//表示methodDataOop的Klass
class methodDataKlass;
//最為klass鏈的端點，klassKlass的Klass就是它自身
class klassKlass;
//表示instanceKlass的Klass
class instanceKlassKlass;
//表示arrayKlass的Klass
class arrayKlassKlass;
//表示objArrayKlass的Klass
class objArrayKlassKlass;
//表示typeArrayKlass的Klass
class typeArrayKlassKlass;
//表示array類型的抽象基類
class arrayKlass;
//表示objArrayOop的Klass
class objArrayKlass;
//表示typeArrayOop的Klass
class typeArrayKlass;
//表示constantPoolOop的Klass
class constantPoolKlass;
//表示constantPoolCacheOop的Klass
class constantPoolCacheKlass;
和oopDesc是其他oop類型的父類一樣，Klass類是其他klass類型的父類。
Klass向JVM提供兩個功能：
- 實現語言層面的Java類（在Klass基類中已經實現）
- 實現Java對象的分發功能（由Klass的子類提供虛函數實現）
文章開頭的時候說過：之所以設計oop-klass模型，是因為HotSopt JVM的設計者不想讓每個對象中都含有一個虛函數表。
HotSopt JVM的設計者把對象一拆為二，分為klass和oop，其中oop的職能主要在于表示對象的實例數據，所以其中不含有任何虛函數。而klass為了實現虛函數多態，所以提供了虛函數表。所以，關于Java的多態，其實也有虛函數的影子在。
_metadata是一個共用體，其中_klass是普通指針，_compressed_klass是壓縮類指針。這兩個指針都指向instanceKlass對象，它用來描述對象的具體類型。
instanceKlass
JVM在運行時，需要一種用來標識Java內部類型的機制。在HotSpot中的解決方案是：為每一個已加載的Java類創建一個instanceKlass對象，用來在JVM層表示Java類。
來看下instanceKlass的內部結構：
//類擁有的方法列表
objArrayOop _methods;
//描述方法順序
typeArrayOop _method_ordering;
//實現的接口
objArrayOop _local_interfaces;
//繼承的接口
objArrayOop _transitive_interfaces;
//域
typeArrayOop _fields;
//常量
constantPoolOop _constants;
//類加載器
oop _class_loader;
//protected域
oop _protection_domain;
....
可以看到，一個類該具有的東西，這里面基本都包含了。
這里還有個點需要簡單介紹一下。
在JVM中，對象在內存中的基本存在形式就是oop。那么，對象所屬的類，在JVM中也是一種對象，因此它們實際上也會被組織成一種oop，即klassOop。同樣的，對于klassOop，也有對應的一個klass來描述，它就是klassKlass，也是klass的一個子類。klassKlass作為oop的klass鏈的端點。關于對象和數組的klass鏈大致如下圖：
在這種設計下，JVM對內存的分配和回收，都可以采用統一的方式來管理。oop-klass-klassKlass關系如圖：
內存存儲
關于一個Java對象，他的存儲是怎樣的，一般很多人會回答：對象存儲在堆上。稍微好一點的人會回答：對象存儲在堆上，對象的引用存儲在棧上。今天，再給你一個更加顯得牛逼的回答：
對象的實例（instantOopDesc)保存在堆上，對象的元數據（instantKlass）保存在方法區，對象的引用保存在棧上。
其實如果細追究的話，上面這句話有點故意賣弄的意思。因為我們都知道。方法區用于存儲虛擬機加載的類信息、常量、靜態變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。 所謂加載的類信息，其實不就是給每一個被加載的類都創建了一個 instantKlass對象么。
talk is cheap ,show me the code ：
class Model
{
public static int a = 1;
public int b;
public Model(int b) {
this.b = b;
}
}
public static void main(String[] args) {
int c = 10;
Model modelA = new Model(2);
Model modelB = new Model(3);
}
存儲結構如下：
從上圖中可以看到，在方法區的instantKlass中有一個int a=1的數據存儲。在堆內存中的兩個對象的oop中，分別維護著int b=3,int b=2的實例數據。和oopDesc一樣，instantKlass也維護著一些fields，用來保存類中定義的類數據，比如int a=1。
總結
每一個Java類，在被JVM加載的時候，JVM會給這個類創建一個instanceKlass，保存在方法區，用來在JVM層表示該Java類。當我們在Java代碼中，使用new創建一個對象的時候，JVM會創建一個instanceOopDesc對象，這個對象中包含了兩部分信息，對象頭以及元數據。對象頭中有一些運行時數據，其中就包括和多線程相關的鎖的信息。元數據其實維護的是指針，指向的是對象所屬的類的instanceKlass。
參考資料
【理解HotSpot虛擬機】對象在jvm中的表示：OOP-Klass模型
（全文完）
