hotspot源码角度看OOP之类属性的底层实现（一）

hello，大家好，我是江湖人送外号[道格牙]的子牙老师。

最近看hotspo源码有点入迷。hotspot就像一座宝库，等你探索的东西太多了。每次达到一个新的Level回头细看，都有不同的感触。入迷归入迷，分享还是得分享。分享使大家夸我，使我快乐。^_

最近报名JVM小班的同学问我问的比较多的是类加载阶段对属性的处理那块。这块知识点还挺多，不局限于加载阶段：

加载阶段如何存储属性
准备阶段给属性赋初值，细节是什么
初始化阶段给静态属性赋值，细节是什么
创建对象时给非静态属性赋值，细节是什么
访问属性时，细节又是什么

这么多细节，一篇文章肯定讲不完，就整个系列篇吧。本篇是OOP之类属性的系列篇首篇。开整…

问题分析

在计算机的世界里，一个问题的解决方案永远不止一种。但是取舍过后，最合适的只剩唯一。当然，你能想到的解决方案的多少，与你对这个问题的理解程度是息息相关的。对于一个问题的理解程度，与你的技术视野紧密不可分。你想到而能不能做到，与你的技术实力直接挂钩。好像不止是计算机世界哈，哪个世界都这样！

比如说让你来实现OOP机制。咱们先不说完整的，就聚焦属性继承，你会如何实现。经常看我文章的小伙伴可能比较奇怪，为什么我总是问类型这样的问题？因为研究底层与研究应用层不同，或者说你用研究应用层的思维来研究底层也可以，但是效果一定不会太好。就我自身来说，我研究底层，第一件事情就是让自己身处设计者的角度，以设计者的思维来思考问题，来理解思想，来阅读代码。每次问这样的问题，意在此。设计者思维是一种试图理解思维，学习思维是一种批判思维。

言归正传，我都能猜出来大家会如何实现，上代码

解释下这段代码：oop是所有Java对象在hotpot中的存在形式，klass是所有Java类在hotspot中的存在形式。现在需要在对象中存储实例数据，毫无疑问需要用到容器，毫无疑问map是最合适的容器。你如果用Java来实现，确实只能这样写。因为Java作为应用层语言，除了Unsafe提供了简单的操作内存的方法外，Java是没有内存处理能力的。而且写Java程序，聚焦业务实现即可。你的代码性能好不好，吃不吃内存，安不安全，本质还是取决于你选择的JVM是否优秀。

如果hotspot这样去实现，也可以哈。只不过不够优秀，可能会听到来自其他编程语言的鄙视。何为优秀的程序，当下能实现的，达到时间与空间完美结合。如果这样实现的话，会存在内存浪费过于严重的问题。这个我就不解释了，我之前的文章有讲过。

那hotshot是如何实现的呢？内存编织。即在一块事先申请好的内存中，按照属性类型，给它分一块相同大小的内存块，织入进去。我之前写的那篇文章，这里没有展开讲。本篇文章，对，展开细讲这里。

这里面有这些问题需要我们来作答：

这个事先申请好的内存，得申请多大
属性有可能是bool、char、short、int、long、oop，如何编织能做到既节省内存又内存对齐
织入的时候是无状态的，即你在访问一个对象的属性的时候，不能通过oop.a这样直接找到，那怎么办呢
采用内存编织的方式创建对象一定就不会内存浪费了吗

分配多大内存

就如你打算给你素未谋面的男女朋友买双鞋子，谁知道他她多大脚呢？猜一下？合适了说你阅人无数，不合适说你不上心。哎，太难了，还是算吧。

怎么算呢？你脑海中得有一张图？不，是两张图。什么图？对象的内存布局图。

那第四个问题就有答案了：还是会存在内存浪费，灰色的padding区域就是为了对齐而填充的区域，即浪费的内存。但是这个浪费是很少的了，是可以接受的了，是目前条件下可以做到的最好的了。

这里面每个区域占用内存大小的细节如下：

Mark Word：在32位机器下，占4B。在64位机器下，占8B。本篇文章说的是64位机
类型指针：又名klass pointer，开启指针压缩占4B，关闭指针压缩是8B。默认是开启的。开启指针压缩占4B是指有效数据占4B，这块区域在内存中还是占8B。这个区域很重要，怎么理解这个重要呢？一、这个区域跟第三个问题的答案有关，后面讲；二、指针压缩的开启或关闭，对内存结构图有影响。对比两幅图就能看出来，会多出一个填充区域。这个细节，后面讲
数组长度：如果是数组对象，占4B。如果非数组对象，占0B，即不会出现
实例数据：这块是核心影响区域，等下细讲
对齐填充：所有的oop必须8B对齐，这个约定。如果一个oop只有12B，比如new object就是12B，无法被8整除，末尾补4B的0

我们说大多数情况：64位机器，开启指针压缩，非数组对象，如果提前分配内存，目前只有实例数据这一块区域的大小是不确定的。这块也是最难确定的。hotspot是怎么做的呢？统计每种数据类型的大小，然后进行统一运算。上代码

parse_fields就是用来解析字节码文件中的属性信息的。只不过为了配合内存编织的实现，除了解析，还需要统计每种类型的属性的数量。统计到的信息存储到对象FieldAllocationCount中。计算细节如下图：

就不卖关子了，hotspot中将boolean、byte、char都当成c++层面的byte来处理，即算作占1B。其他的Java类型映射哪个C++类型，看注释就能知晓。静态属性与非静态属性是分开统计的，为什么呢？因为存储的位置不同。静态属性在Class对象对应的oop上，非静态属性在new出来的oop上。

这里面有个细节，Java中的char是2B，这边当成1B处理，不会出问题吗？不会。hotspot底层做了工作，具体怎么做的。后面讲。

统计完以后，就可以知晓即将创建的对象占多少字节了，伪代码如下

没有容器何谈编织。那现在有了容器，该如何织入呢？

编织细节

同样是64位机。先说关闭指针压缩情况下的编织细节，开启指针压缩的情况有些许特殊。

hotspot支持三种编织规则：

allocation_style=0：属性按由大到小的顺序进行织入，oop优先。编织顺序为oop、long/double、int、short/char、byte。织入所有属性后如果对象大小非8B对齐，尾部增加填充区域。填充字节数是多少？这个公式就交给聪明的大家了。
allocation_style=1：属性还是按由大到小的属性进行织入，不过这种方式，oop最后织入。同样，非8B对齐依然需要补填充区域。
allocation_style=2：这种规则会将子类的oop与父类oop综合起来考虑，略显复杂，后面有空细讲

我想，大家是不是有这个疑惑：为什么不能从小到大进行织入。非不为也，实不能也。自己悟一下咯。

上面有段标红的文字：开启指针压缩占4B是指有效数据占4B，这块区域在内存中还是占8B。这里其实就是开启或关闭指针压缩的核心区别所在。

不管是否开启指针压缩，这块区域都要吃掉8B内存。那在关闭指针压缩的情况下，这块区域就浪费掉了4B内存。能忍？可忍可不忍。hotspot给了你选择权。通过修改-XX:+/-CompactFields的值，可以选择让hotspot是否往这块间隙中织入属性。默认是开启的。可以通过如下代码测试

hotspot就是通过这三套规则进行属性织入，达到既节省内存又内存对齐的效果。默认是allocation_style=1的那种。

如何访问属性

到这里就剩最后一个问题了：如何访问。之前有问题提过这里，今天细看源码发现不太对。访问细节是这样子的

因为oop只是一块内存，并不知道哪块内存里存储的是什么属性。所以hotspot的方式是通过类型指针找到这个oop对象的klass，klass中有所有的属性信息，存储在数组中。通过属性的名称+签名找到具体访问的属性的所有信息，这个信息中就有这个offset。这个offset还不是对象中的offset，是索引。拿到这个索引再进行运算，才能真正找到属性在oop中的位置。有点抽象，举个例子。

比如Java类中有两个char，是按照代码顺序织入的。如果我想访问c2：

通过oop.类型指针拿到Test类对应的klass
通过调用findField，传入属性名+签名拿到c2的完整信息及offset
再调用注入char_offset_addr(offset)计算得到c2在oop中的内存地址
进行访问拿到c2的数据

那field.offset是何时计算出来的呢