3.3　類

Klass是一個(gè)抽象基類，它定義了一些接口（純虛函數(shù)），由InstanceKlass繼承并實(shí)現(xiàn)這些接口，兩者結(jié)合可以描述一個(gè)Java類的方法有哪些、字段有哪些、父類是否存在等。Klass提供了相當(dāng)多的關(guān)于類的信息，同樣可以使用HotSpot Debugger可視化，如圖3-5所示。

圖3-5　使用jhsdb hsdb命令可視化查看klass

InstanceKlass在虛擬機(jī)層描述大部分的Java類，但有少部分Java類有特殊語意：普通類的對(duì)象在垃圾回收過程中只需要遍歷所有實(shí)例字段；java.lang.Class的對(duì)象需要遍歷實(shí)例字段和靜態(tài)字段；java.lang.ref.*的對(duì)象需要處理被引用對(duì)象；java.lang.ClassLoader需要處理類加載數(shù)據(jù)。這些類的特殊行為不能用InstanceKlass統(tǒng)一表示，因此InstanceKlass之下派生出InstanceMirrorKlass描述java.lang.Class類，InstanceRefKlass描述java.lang.ref.*類，InstanceClassLoaderKlass描述java.lang.ClassLoader類。

3.3.1　字段遍歷

在垃圾回收過程中常見的任務(wù)是遍歷一個(gè)對(duì)象的所有字段。以G1為例，在Full GC過程中會(huì)標(biāo)記所有成員對(duì)象，如代碼清單3-5所示：

代碼清單3-5　字段遍歷

inline void G1FullGCMarker::follow_object(oop obj) {
    if (obj->is_objArray()) {          // 如果對(duì)象是數(shù)組，則標(biāo)記每個(gè)數(shù)組成員
        follow_array((objArrayOop)obj);
    } else {                           // 否則標(biāo)記對(duì)象的每個(gè)非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員
        obj->oop_iterate(mark_closure());    
    }
}
// 該方法由上面的obj->oop_iterate調(diào)用
ALWAYSINLINE void InstanceKlass::oop_oop_iterate_oop_maps(...) {
    OopMapBlock* map             = start_of_nonstatic_oop_maps();
    OopMapBlock* const end_map = map + nonstatic_oop_map_count();
    for (; map < end_map; ++map) {     // 遍歷每個(gè)OopMapBlock
        oop_oop_iterate_oop_map<T>(map, obj, closure); 
    }
}

調(diào)用obj->oop_iterate后經(jīng)過一個(gè)較長(zhǎng)的調(diào)用鏈，會(huì)執(zhí)行oop_oop_iterate_oop_maps，根據(jù)代碼不難看出它的行為是獲取開始OopMapBlock和結(jié)束OopMapBlock，然后遍歷這些OopMapBlock。OopMapBlock存儲(chǔ)了該對(duì)象的字段偏移和個(gè)數(shù)，分別用offset和count表示。offset表示第一個(gè)字段相對(duì)于對(duì)象頭的偏移，count表示對(duì)象有多少個(gè)字段。另外，如果有父類，則再用一個(gè)OopMapBlock表示父類，因此通過遍歷對(duì)象的所有OopMapBlock就能訪問對(duì)象的全部字段。

3.3.2　虛表

如果使用C++編程，會(huì)用一個(gè)Node表示基類，由AddNode繼承Node，它們都有一個(gè)print方法。現(xiàn)在有一個(gè)變量Node *n=new AddNode，靜態(tài)類型為Node，動(dòng)態(tài)類型為AddNode，調(diào)用n->print()函數(shù)會(huì)根據(jù)n的動(dòng)態(tài)類型進(jìn)行函數(shù)派發(fā)，由于n的動(dòng)態(tài)類型為AddNode所以調(diào)用AddNode::print。在這個(gè)過程中，需要為每個(gè)對(duì)象插入一個(gè)虛表。虛表是一個(gè)由函數(shù)指針構(gòu)成的數(shù)組，可以添加編譯參數(shù)輸出它^[1]。以上面的變量為例，Node虛表的第一個(gè)元素是指向Node::print的函數(shù)指針，AddNode虛表的第一個(gè)元素是指向AddNode::print的指針，n在運(yùn)行時(shí)可以通過查找虛表來定位正確的方法（AddNode::print）。

如果使用Java編程，情況就不一樣了。根據(jù)前面的描述，每個(gè)Java對(duì)象即oop都有對(duì)象頭，對(duì)象頭里面有一個(gè)_klass指向?qū)ο蟮恼_的InstanceKlass類型，而InstanceKlass包含了類的所有方法以及父類信息，當(dāng)執(zhí)行n.print()時(shí)，JVM可以（但是并沒有）從對(duì)象n的對(duì)象頭里取出_klass，找到描述AddNode類的InstanceKlass，再在其中尋找print方法。這一過程并不需要虛表參與。正如上面討論的，虛表是Java動(dòng)態(tài)派發(fā)的優(yōu)化而不是必要組件，就像native入口之于Method，Java的虛表也是位于InstanceKlass之外，如圖3-6所示。

圖3-6　InstanceKlass布局

第2章提到類會(huì)經(jīng)歷加載、鏈接、初始化三個(gè)階段，這里我們只討論了鏈接階段的一些步驟，實(shí)際上它還會(huì)執(zhí)行很多額外的步驟，如虛表的初始化也是在鏈接階段進(jìn)行的。HotSpot會(huì)在類加載階段計(jì)算出虛表大小，然后在鏈接階段使用klassVtable::initialize_vtable()初始化虛表，如代碼清單3-6所示：

代碼清單3-6　虛表初始化

void klassVtable::initialize_vtable(bool checkconstraints, TRAPS) {
    ...
    // 處理當(dāng)前類的所有方法
    for(int i = 0; i < len; i++) {
        methodHandle mh(THREAD, methods->at(i));
        // 該方法是否為虛方法
        bool needs_new_entry = update_inherited_vtable(...);
        // 如果是，則需要更新當(dāng)前類的虛表索引
        if (needs_new_entry) {
        put_method_at(mh(), initialized);
        mh()->set_vtable_index(initialized); 
        initialized++;
        }
    }
    ...// 和前面類似，處理default方法
}

update_inherited_vtable會(huì)經(jīng)過一系列檢查來確定一個(gè)方法是否為虛方法以及是否需要加入類的虛表。上述例子的Node與AddNode經(jīng)過虛表初始化后的vtable如圖3-7所示。

圖3-7　Node與AddNode經(jīng)過虛表初始化后的vtable

也可以開啟VM參數(shù)-Xlog:vtables=trace查看所有類的虛表的創(chuàng)建過程。在調(diào)用虛方法時(shí)虛擬機(jī)會(huì)在運(yùn)行時(shí)常量池中查找n的靜態(tài)類型Node的print方法，獲取它在Node虛表中的index，接著用index定位動(dòng)態(tài)類型AddNode虛表中的虛方法進(jìn)行調(diào)用。第一步的運(yùn)行時(shí)常量池在HotSpot VM中的表示是oops/ConstantPoolCache，它也是對(duì)象和類模型的一部分。

[1] gcc使用-fdump-class-hierarchy輸出虛表，clang使用-Xclang -fdump-vtable-layouts輸出虛表，msvc使用/d1reportAllClassLayout輸出虛表。