前言
這篇博客主要來說說類與物件在JVM中是如何存盤的，由于JVM是個非常龐大的課題，所以我會把他分成很多章節來細細闡述，具體的數量還沒有決定，當然這不重要，重點在于是否可以在文章中學到東西，是否對JVM可以有一些更深的理解，當然這也是筆者自己寫文章的初衷，
問題提出
我們在日常作業學習中所使用的Java語言，其最大的特點就是“跨平臺”，我們不用在不同的平臺上編譯兩套不同的機器碼，而可以做到“一次編譯，到處運行”，其跨平臺最重要的一個因素就在于，Java語言并不直接運行在真實機器上，而是有一個虛擬機（即Java Virtual Machine ，JVM）來承載其運行，我們通過javac命令，將.java檔案編譯成為.class檔案，然后通過虛擬機來編譯/解釋執行成對應的平臺硬編碼并執行，使得只要安裝了該虛擬機的平臺，就可以運行java程式，
實際上，現在不光Java可以運行在Java虛擬機上，還有例如Kotlin、Scala、Groovy、Clojure等語言，都采用了這種模式，編譯成為class檔案后，放在Java虛擬機上運行，所以筆者預計在很長的一段時間內，即使Java會過時，但是Java虛擬機也會存在較長的一段時間，
那么就從最開始說起，我們寫程式時，最先進行的操作一定是新建一個類，然后新建一個物件，那么類與物件在JVM中是如何存盤的呢？
如何窺探？
在研究這個問題之前，我們必須要看到類和物件在JVM中是以何種狀態存在的，在筆者經過一段時間的學習后，了解了JDK自帶的一款“神器”—HSDB，下面來介紹其基本的一些使用方式，
啟動
首先需要需要復制jdkjrebin目錄下的sawindbg.dll檔案到jrebin目錄下，然后進入jdklib目錄下，使用java -cp .sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB，即可啟動HSDB：
啟動HSDB
然后我們啟動一個Java專案，讓其保持啟動狀態：
public class Blog { public static void main(String[] args) { System.out.println("Hello JVM"); while(true){} } }
在終端中使用jps -l命令，查看運行起來的Java行程的行程號，
jps查看行程
我這里的行程號是720，獲取到行程號之后，點擊HSDB上的File->Attach to HotSpot Process，并輸入行程號：
HSDBAttach
點擊【OK】，即可系結行程，下圖中是這個Java行程中的所有執行緒，
系結行程成功
查看類
我們可以通過這個工具，來看一下我們剛才運行的這個類究竟是以何種形式，存在于JVM中的，
點擊Tools -> Class Browser，然后可以找到Main方法所在類的記憶體地址，可以看到我創建的類的記憶體地址是0x7c0060828
查看類
然后點擊Tools -> Inspector，在右上方輸入記憶體地址，就可以看到這個類的資料了，
查看類資料
到這里我們已經可以看到，我們所創建的類，其在記憶體中的存在形式，實際上是使用一個名為InstanceKlass的類的實體進行存盤的，我們可以得到一個并不是太準確的結論，也算是到目前為止的一個認知，類在JVM中，是被InstanceKlass所描述的，InstanceKlass中包含類的元資料和方法資訊，例如：Java類的繼承資訊、成員變數、靜態變數、成員方法、建構式等，JVM可以通過InstanceKlass來反射出Java類的全部結構資訊，
查看物件
在HSDB中，我們找到類的記憶體地址后，通過Inspector可以清楚地看到類在JVM中的一種存在形式，實際上在我們第一次學Java的時候，就聽過一句話：在Java中，萬物皆物件，在JVM看來，不僅Java物件是物件，Java類也是物件，Java方法也是物件，位元組碼常量池皆為物件，
由于JVM是由C++撰寫，所以我們在Java中宣告的所有東西，都可以在由C++撰寫的JVM中以一個物件的方式存在，正如一個Java類是以InstanceKlass的一個實體物件來表示一樣，Java物件也可以使用一個C++物件來表示，我們可以來重復一次上述的程序，來看看Java物件是如何在JVM中進行存盤的，
首先我們需要修改剛才的測驗代碼：
public class Blog { public static void main(String[] args) { //在Main方法中新建一個物件 Blog blog = new Blog(); while(true){} } }
我們在Main方法中新建了一個Blog物件，然后在HSDB中查看這個物件在JVM中是怎樣的：
找到創建的物件：
Main執行緒堆疊內容
找到執行緒堆疊中物件
可以看到在JVM中，物件是以一個名為Oop的物件來描述的，在Oop物件中，有一個_metadata，代表這個物件的類元資料，其中有一個compressed_klass指標，指向的正是我們上文中說的，描述類的元資訊的InstanceKlass，
相信在上面一些小小的測驗中，我們應該都有了一些基本的認知，無論是Java中的類，還是物件，在JVM中都是以物件的形式存在的，存放類的InstanceKlass物件，保存了類的元資料，例如父類、方法、成員變數、靜態變數等等，而Oop物件中保存了物件的一些資訊，了解過物件的記憶體分布的同學應該知道一個Java物件中存放有哪些結構，但是這里先賣個關子，這部分內容會在后期文章中單獨敘述，還有一個指向類元資料InstanceKlass的指標，現在應該可以理解萬物皆物件這句話真正的含義了，但如果覺得這就是全部，那就太早了，這其實只是冰山一角，只是開始，
Oop-Klass模型
在上文中我們對Oop和Klass都有了最基本的認識，Oop用于描述物件，Klass用于描述類，而經過筆者更深入的學習中發現，在JVM中，情況絕不止第一節中提到的這么簡單，
在JVM中，并沒有根據Java實體物件直接通過虛擬機映射到新建的C++物件，而是定義了各種Oop-Klass：
- Oop(ordinary object pointer)，用來描述物件實體資訊，
- Klass，用來描述 Java 類，是虛擬機內部Java型別結構的對等體 ，
而剛才我們看到的InstanceKlass，實際上只是Klass的一種，
Oop體系
看到Oop，大家第一反應一定是Object-oriented programming(面向物件程式設計)，但是這里的Oop，是值Ordinary Object Pointer，即標準物件指標，它用來表示物件的實體資訊，
在JVM原始碼里，oopsHierarchy.hpp中定義了oop和klass各自的體系，這個是Oop的體系：
typedef class oopDesc* oop;//所有oops共同基類 typedef class instanceOopDesc* instanceOop;//Java類實體物件 typedef class methodOopDesc* methodOop;//Java方法物件 typedef class constMethodOopDesc* constMethodOop;//方法中的只讀資訊物件 typedef class methodDataOopDesc* methodDataOop;//方法性能統計物件 typedef class arrayOopDesc* arrayOop;//描述陣列 typedef class objArrayOopDesc* objArrayOop;//描述參考資料型別陣列 typedef class typeArrayOopDesc* typeArrayOop;//描述基本資料型別陣列 typedef class constantPoolOopDesc* constantPoolOop;//class檔案中的常量池 typedef class constantPoolCacheOopDesc* constantPoolCacheOop;//常量池快取 typedef class klassOopDesc* klassOop;//指向klass實體 typedef class markOopDesc* markOop;//物件頭 typedef class compiledICHolderOopDesc* compiledICHolderOop;
為了簡化變數名，JVM統一將結尾的Desc去掉，以Oop為結尾命名，
在Oop體系中，分別使用不同的Oop來表示不同的物件，在代碼的注釋中，筆者已經注明了每一種oop分別用于表示什么物件，HotSpot認為用這些模型，便足以描述Java程式的全部內容，
Klass體系
在JVM原始碼里，oopsHierarchy.hpp中定義了oop和klass各自的體系，這個是Klass的體系：
class Klass;//klass家族的基類 class InstanceKlass;//虛擬機層面與Java類對等的資料結構 class InstanceMirrorKlass;//描述java.lang.Class的實體 class InstanceClassLoaderKlass;//描述類加載器的實體 class InstanceRefKlass;//描述java.lang.Reference的子類 class MethodKlass;//表示Java類中的方法 class ConstantMethodKlass;//描述Java類方法所對應的位元組碼指令資訊的固有屬性 class KlassKlass;//Klass鏈路的末端，在Jdk8已不存在 class ConstPoolKlass;//描述位元組碼檔案中常量池的屬性 class ArrayKlass;//描述陣列的資訊，是抽象類， class ObjArrayKlass;//ArrayKlass的子類，描述參考型別的陣列類元資訊 class TypeArrayKlass;//ArrayKlass的子類，描述普通配型的陣列類元資訊
Klass主要提供一下兩種能力：
- klass提供一個與 Java 類對等的 C++型別描述，
- klass提供虛擬機內部的函式分發機制 ，
由于在JVM中，Java類是以Oop和Klass分別進行表示的，所以Klass體系基本和Oop體系相互對應，
或許將兩個維度分開，對于我們真正理解這個體系并不是一件好事，因為畢竟這兩個體系息息相關，所以筆者在這里只是淺嘗輒止地介紹了一下兩個體系的成員，接下來我們就以一個最簡單的案例來一步步了解Oop-Klass體系，順便驗證我們上文中所說的一些內容，根據上文提到的Oop體系和Klass體系內容，我們分別在Main方法中創建幾個物件：
public class Blog { private int a = 10; private int b = 20; public static void main(String[] args) { Blog blog = new Blog(); int[] typeArray = new int[10]; Integer[] objArray = new Integer[10]; while(true){} } }
按照我們上文的說法，Klass存盤類的元資訊，Oop用于描述物件的實體資訊，而我們都知道創建一個物件JVM一般分為三步，首先是在堆中先分配一片記憶體空間，第二步需要完成物件的初始化，最后將物件的參考指向該記憶體空間，當然這只是比較宏觀的一種說法，而落實到細節中，大概是這樣一個流程：
1.將Java類加載到方法區，加載到方法區的時候實際上就是創建了一個Klass，Klass中保存了這個Java類的所有資訊，例如：變數、方法、父類、介面、構造方法、屬性等，
2.而在完成物件的初始化時，JVM會在堆分配的空間中，創建一個Oop，這個Oop便是我們這個物件實體在記憶體中的對等體，主要存盤這個物件實體的成員變數，其中這個Oop中存在一個指標，指向Klass，通過這個指標，JVM可以在運行期間，獲取這個物件的所有類元資訊，
看到這里可能有人會說，“哎呀這些不過是你說的，但是我們并沒有真正看過啊，你怎么知道你說的這些就是對的呢？”，不急，我們依舊可以使用HSDB來驗證我們的說法，
還是上文的代碼，打開HSDB后，找到我們創建的Blog物件：
驗證Oop內部
可以看到，我們創建的這個物件，其是由Oop所描述，而Oop物件中存在一個指向Klass的指標，指向Klass，并且Oop物件中主要存放了物件實體的成員變數，說明剛才我們的結論是正確的，而在“宏觀說法”中，物件的參考指向該記憶體空間，實際上就是指向這個Oop物件，那么就可以根據這個操作結果，用一張圖來描述出Oop-Klass模型基本的樣子：
Oop-Klass模型圖
而左側Oop物件圖，實際上就是我們平常經常背的一道面試題的來源，Java物件由什么組成：物件頭、實體資料、對齊填充，在這部分內容中，指向klass的指標還存在是否指標壓縮的概念，當然，這不是今天的重點，這部分內容我會在之后的JVM內容中作為單獨一篇文章來描述，
我們接著往下說，剛才我們只是證明了Oop和Klass模型的內部結構，以及Oop-Klass存在的聯系，是通過一個指標關聯的，還有一個東西并沒有得以證明，就是在最初介紹Oop模型和Klass模型時，我們說過其家族的龐大，對于每一種不同型別的類和物件，都由不同的Oop及Klass進行描述，首先修改一下剛才的代碼，使用HSDB來分別查看不同的類和物件，觀察其區別：
public class Blog { //基本資料型別 private int a = 10; private int b = 20; //基本資料型別陣列 private int[]aArray = new int[10]; //參考資料型別陣列 private Integer[] bArray = new Integer[10]; //普通物件 private Map<String,Object> mapObj = new HashMap<>(16); public static void main(String[] args) { Blog blog = new Blog(); int[] typeArray = new int[10]; Integer[] objArray = new Integer[10]; while(true){} } }
HSDB:
-
基本資料型別陣列：
基本資料型別陣列 -
參考資料型別陣列：
參考資料型別陣列 -
物件：
物件
觀察HSDB，不難看出我們在Blog類中創建的三種不同型別的成員屬性：基本資料型別陣列、參考資料型別陣列、普通物件，都由不同的Oop-Klass模型進行表示，表示方式大致可以用下圖進行描述：
OopKlass表示型別
Oop-Klass模型的簡易理解
在JVM中，使用Oop-Klass模型這種一分為二的模型區描述Java類，但是筆者認為這種叫法并不是特別容易讓人理解，對于初學者來說，什么是Oop，什么是Klass？并沒有一種可以顧名思義的解讀，實際上，無非就是元資料和實體資料進行分離，所以初學者看到這里，不妨可以把他直接理解為data-meta模型，data即oop、而meta即klass，這樣就可以很好地理解Oop-Klass這個概念了，
而實際上，在JVM中，Klass保存元資料這個概念會更好理解一些，如果你看過JVM原始碼，你會發現，實際上在JVM原始碼中Klass正是繼承Metadata類的，
結語
本文帶大家了解了Java的類與物件在JVM中的存在形式，JVM將其一分為二，分為Oop-Klass，分別存盤物件示例資訊及類的元資訊，在整個證明程序中，我們使用了HSDB這個強大的工具，對這一結構進行窺探及證明，
當然，Oop-Klass模型內部是一個龐大的體系，本文只是抓取了日常使用頻次比較高的類以及比較有特點的一些類進行驗證，感興趣的同學可以在線下根據這套方法，自己去驗證其他的一些型別的表示形式，
這是整個JVM專題的第一篇文章，關于JVM的更多內容將會在之后的JVM文章中進行分享，
如果需要提問，歡迎評論區留言~
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標籤：Java