3.2　對象

虛擬機中的對象由oop表示。oop的全稱是Ordinary Object Pointer，它來源于Smalltalk和Self語言，字面意思是“普通對象指針”，在HotSpot VM中表示受托管的對象指針。“受托管”是指該指針能被虛擬機的各組件跟蹤，如GC組件可以在發現對象不再使用時回收其內存，或者可以在發現對象年齡過大時，將對象移動到另一個內存分區等。總地來說，對象是由對象頭和字段數據組成的。

3.2.1　創建對象

創建oop的藍圖是InstanceKlass。InstanceKlass了解對象所有信息，包括字段個數、大小、是否為數組、是否有父類，它能根據這些信息調用InstanceKlass::allocate_instance創建對應的instanceOop/arrayOop，如代碼清單3-1所示：

代碼清單3-1　allocate_instance

instanceOop InstanceKlass::allocate_instance(TRAPS) {
    bool has_finalizer_flag = has_finalizer(); // 是否重寫finalizer方法
    int size = size_helper();                  // 獲取對象大小
    instanceOop i;
    // 在堆上分配對象
    i = (instanceOop)Universe::heap()->obj_allocate(...);
    if (has_finalizer_flag && !RegisterFinalizersAtInit) {
        i = register_finalizer(i, CHECK_NULL);
    }
    return i;                                  // 返回對象
}
oop CollectedHeap::obj_allocate(Klass* klass, int size, TRAPS) {
    ObjAllocator allocator(klass, size, THREAD);
    return allocator.allocate();
}

這里虛擬機調用Java堆的CollectedHeap::obj_allocate創建對象。Obj_allocate內部又使用ObjAllocator創建對象。ObjAllocator做的事情很簡單，如代碼清單3-2所示：

代碼清單3-2　內存分配與對象創建

oop MemAllocator::allocate()const{     // ObjAllocator繼承自MemAllocator
    oop obj = NULL;
    Allocation allocation(*this, &obj);
    // 根據對象size分配一片內存
    HeapWord* mem = mem_allocate(allocation);
    if(mem != NULL) {
        // 初始化對象頭，initialize會返回oop(mem)
        obj = initialize(mem);   
    }
    return obj;
}

代碼清單3-2揭示了Java對象的實質：一片內存。虛擬機首先獲知對象大小，然后申請一片內存（mem_allocate），返回這片內存的首地址（HeapWord，完全等價于char*指針）。接著初始化（initialize）這片內存最前面的一個機器字，將它設置為對象頭的數據。然后將這片內存地址強制類型轉換為oop（oop類型是指針）返回，最后由allocate_instance再將opp強制類型轉換為instanceOop返回。

有很多方法可以查看oop對象布局，了解它有助于深刻理解HotSpot VM的對象實現。使用-XX:+PrintFieldLayout虛擬機參數可以輸出對象字段的偏移，但是該參數的輸出內容比較簡略。要想獲取詳細的對象布局，可以使用JOL（Java Object Layout）工具，但JOL不是JDK自帶的工具，需要自行下載。除了JOL外，還可以使用JDK自帶的jhsdb工具獲取。使用jhsdb hsdb命令打開HotSpot Debugger程序，可以查看oop的內部數據，如圖3-2所示。

圖3-2　使用jhsdb hsdb命令查看oop的內部數據

oop最開始的兩個字段是_mark和_metadata，它們包含一些對象的元數據，接著是包含對象字段的數據。下面將詳細介紹_mark和_metadata的內容。

3.2.2　對象頭

了解“oop是指向一片內存的指針，只是將這片內存‘視作’（強制類型轉換）Java對象/數組”十分重要，因為對象的本質就是用對象頭和字段數據填充這片內存。對象頭即oopDesc，它只有兩個字段，如代碼清單3-3所示：

代碼清單3-3　對象頭結構

class oopDesc {
    volatile markOop _mark;
    union _metadata {
        Klass*      _klass;
        narrowKlass _compressed_klass;
    } _metadata;
};

對象頭的第一個字段是_mark，也叫Mark Word，雖然由于歷史原因帶了個oop字樣，但是它與oop并沒有關系。它在形式上是一個指針，但是HotSpot VM把它當作一個整數來使用。根據CPU位數，markOop表現為32位或者64位整數，不同位（bit）有不同意義，如圖3-3所示。

圖3-3　markOop

使用VM參數-XX:+UseCompressedOops還可以開啟對象指針壓縮，在64位機器上開啟該參數后，可以用32位無符號整數值（narrowOop）來表示oop指針。壓縮對象指針允許32位整數表示64位指針。對象引用位數的減少允許堆中存放更多的其他數據，繼而提高內存利用率，但是隨之而來的問題是64位指針的可尋址范圍可能是0～2⁴²字節或0～2⁴⁸字節（一般64位CPU的地址總線到不了64位），壓縮后只能尋址0～2³²字節，顯然無法覆蓋可能的內存范圍。對于這個問題，HotSpot VM的應對方案如圖3-4所示，其中壓縮對象指針有三種尋址模式：

圖3-4　壓縮對象指針尋址

? 如果堆的高位地址小于32GB，說明不需要基址（base）就能定位堆中任意對象，這種模式也叫作零地址Oop壓縮模式（Zero-based Compressed Oops Mode）；

? 如果堆的高位大于等于32GB，說明需要基址，這時如果堆大小小于4GB，說明基址+偏移能定位堆中任意對象；

? 如果堆大小處于4～32GB，這時只能通過基址+偏移×縮放（scale）才能定位堆中任意對象。

這三種尋址模式最大支持32GB的堆，很顯然，如果Java堆大于32GB，那么將無法使用壓縮對象指針。

對象頭的第二個字段_metadata表示對象關聯的類（klass）。它是union類型，_klass表示正常的指針，另一個narrowKlass是針對64位CPU的優化。如果開啟-XX:+UseCompressedClassPointers，虛擬機會將指向klass的指針壓縮為一個無符號32位整數（_compressed_klass），剩下的32位則用于存放對象字段數據，如果是typeArrayOop或objArrayOop，還能存放數組長度。但是壓縮klass指針也會遇到和壓縮對象指針一樣的問題，即尋址范圍無法覆蓋可能的內存區域，對此，HotSpot VM的解決方案也是使用基址+偏移×縮放進行定位，只是這時候32位無符號整數偏移是narrowKlass而不是narrowOop。

3.2.3　對象哈希值

_mark中有一個hash code字段，表示對象的哈希值。每個Java對象都有自己的哈希值，如果沒有重寫Object.hashCode()方法，那么虛擬機會為它自動生成一個哈希值。哈希值生成的策略如代碼清單3-4所示：

代碼清單3-4　對象hash值生成策略

static inline intptr_t get_next_hash(Thread * Self, oop obj) {
    intptr_t value = 0;
    if (hashCode == 0) {         // Park-Miller隨機數生成器
        value = os::random();
    } else if (hashCode == 1) {  // 每次STW時生成stwRandom做隨機
        intptr_t addrBits = cast_from_oop<intptr_t>(obj) >> 3;
        value = addrBits ^ (addrBits >> 5) ^ GVars.stwRandom;
    } else if (hashCode == 2) {  // 所有對象均為1，測試用的
        value = 1;
    } else if (hashCode == 3) {  // 每創建一個對象，hash值加一
        value = ++GVars.hcSequence;  
    } else if (hashCode == 4) {  // 將對象內存地址當作hash值
        value = cast_from_oop<intptr_t>(obj); 
    } else { // Marsaglia xor-shift 隨機數算法，生成hashcode
        unsigned t = Self->_hashStateX;
        t^= (t << 11);
        Self->_hashStateX = Self->_hashStateY;
        Self->_hashStateY = Self->_hashStateZ;
        Self->_hashStateZ = Self->_hashStateW;
        unsigned v = Self->_hashStateW;
        v = (v ^ (v >> 19)) ^ (t ^ (t >> 8));
        Self->_hashStateW = v;
        value = v;
    }
    value &= markOopDesc::hash_mask;
    if (value == 0) value = 0xBAD;
    return value;
}

Java層調用Object.hashCode()或者System.identityHashCode()，最終會調用虛擬機層的runtime/synchronizer的get_next_hash()生成哈希值。get_next_hash內置六種可選方案，如代碼清單3-4所示，可以使用-XX:hashCode=<val>指定生成策略。OpenJDK 12目前默認的策略是Marsaglia XOR-Shift隨機數生成器，它通過重復異或和位移自身值，可以得到一個很長的隨機數序列周期，生成的隨機數序列通過了所有隨機性測試。另外，它的速度也非常快，能達到每秒2億次。