HotSpot的類模型（4）

2020 年 7 月 9 日
筆記

我們繼續接著上一篇 HotSpot的類模型（3）分析，這次主要分析表示java數組的C++類。

4、ArrayKlass類

ArrayKlass繼承自Klass，是所有數組類的抽象基類，類及重要屬性的定義如下：

class ArrayKlass: public Klass {
  ...
 private:
  int             _dimension;         // This is n'th-dimensional array.
  Klass* volatile _higher_dimension;  // Refers the (n+1)'th-dimensional array (if present).
  Klass* volatile _lower_dimension;   // Refers the (n-1)'th-dimensional array (if present).
  int             _vtable_len;        // size of vtable for this klass
  oop             _component_mirror;  // component type, as a java/lang/Class
  ...
}

在Klass的基礎上增加的屬性如下表所示。

欄位	作用
_dimension	int類型，表示數組的維度，記為n
_higher_dimension	Klass指針，表示對n+1維數組Klass的引用
_lower_dimension	Klass指針，表示對n-1維數組Klass的引用
_vtable_len	int類型，虛函數表的長度
_component_mirror	oop，數組元素對應的java/lang/Class對象的Oop

_vtable_len的值為5，因為數組是引用類型，父類為Object類，而Object類中有5個虛方法可被用來繼承和重寫，如下：

void finalize()
boolean equals(Object)
String toString()
int hashCode()
Object clone()

_dimension、_higher_dimension與_lower_dimension對於一維及多維數組的描述非常重要，屬性值的設置相對簡單，這裡不在介紹。

5、ArrayKlass類的子類

（1）TypeArrayKlass類

TypeArrayKlass是ArrayKlass的子類，用於表示數組元素是基本類型的數組

class TypeArrayKlass : public ArrayKlass {
  ...
 private:
  jint _max_length;            // maximum number of elements allowed in an array
  ...
}

_max_length表示該數組允許的最大長度。

數組類和普通類不同，數組類沒有對應的Class文件，所以數組類是直接被虛擬機創建的。HotSpot在初始化時就會創建好8個基本類型的一維數組對象TypeArrayKlass。之前在講解HotSpot啟動時講到過，調用initializeJVM()方法初始化HotSpot，這個方法會最終調用到Universe::genesis()方法，在這個方法中初始化基本類型的一維數組對象TypeArrayKlass。例如初始化boolean類型的一維數組，調用語句如下：

_boolArrayKlassObj      = TypeArrayKlass::create_klass(T_BOOLEAN, sizeof(jboolean), CHECK);

其中_boolArrayKlassObj是聲明在universe.cpp文件中的全局變數，如下：

Klass* Universe::_boolArrayKlassObj                 = NULL;

調用TypeArrayKlass::create_klass()方法創建TypeArrayKlass對象，具體就是調用TypeArrayKlass::create_klass()方法來完成，方法的實現如下：

TypeArrayKlass* TypeArrayKlass::allocate(ClassLoaderData* loader_data, BasicType type, Symbol* name, TRAPS) {
  assert(TypeArrayKlass::header_size() <= InstanceKlass::header_size(),
      "array klasses must be same size as InstanceKlass");

  int x = TypeArrayKlass::header_size();
  int size = ArrayKlass::static_size(x);
  // 調用的構造函數在下面
  return new (loader_data, size, THREAD) TypeArrayKlass(type, name);
}

非常類似於InstanceKlass等對象的創建，首先獲取需要記憶體的大小size，然後通過重載new運算符完成對象記憶體分配後，調用TypeArrayKlass初始化一些屬性，TypeArrayKlass的構造函數如下：

TypeArrayKlass::TypeArrayKlass(BasicType type, Symbol* name) : ArrayKlass(name) {
  int lh = array_layout_helper(type);
  set_layout_helper(lh);
  assert(oop_is_array(), "sanity");
  assert(oop_is_typeArray(), "sanity");

  set_max_length(arrayOopDesc::max_array_length(type)); // 設置數組的最大長度
  ...
}

下面詳細介紹一下對_layout_helper屬性的設置。調用Klass::array_layout_helper()方法獲取_layout_helper屬性的值

jint Klass::array_layout_helper(BasicType etype) {
  assert(etype >= T_BOOLEAN && etype <= T_OBJECT, "valid etype");
  // Note that T_ARRAY is not allowed here.
  int  hsize = arrayOopDesc::base_offset_in_bytes(etype); // hsize表示數組對象頭部大小
  int  esize = type2aelembytes(etype); // 對應類型存儲所需要的位元組數
  bool isobj = (etype == T_OBJECT);
  int  tag   =  isobj ? _lh_array_tag_obj_value : _lh_array_tag_type_value;
  int  esz = exact_log2(esize);
  int  lh = array_layout_helper(tag, hsize, etype, esz);
  

  return lh;
}

關於_layout_helper在之前已經介紹過，由於T_BOOLEAN為基本類型，所以值為0xC0；hsize調用arrayOopDesc::base_offset_in_bytes()方法獲取，值為16，後面在講解arrayOopDesc時會介紹，數組對象其實是由對象頭、對象欄位數據和對齊填充組成，而這裡獲取的就是對象頭的大小；esize表示對應類型存儲所需要的位元組數，對於T_BOOLEAN來說，只需要1個位元組即可，所以esz為0。最後調用array_layout_helper()方法按照約定組合成一個int類型的數字即可。array_layout_helper()方法的實現如下：

 static jint array_layout_helper(jint tag, int hsize, BasicType etype, int log2_esize) {
    return (tag        << _lh_array_tag_shift)          // 左移30位
      |    (hsize      << _lh_header_size_shift)        // 左移16位
      |    ((int)etype << _lh_element_type_shift)       // 左移1位
      |    (log2_esize << _lh_log2_element_size_shift); // 左移0位
  }

另外還有對_component_mirror屬性的設置。對於一維基本類型的數組來說，這個值是java.lang.Class對象。Class對象使用oop對象來表示，調用java_lang_Class::create_basic_type_mirror()方法獲取_component_mirror屬性的值，通過java_lang_Class::create_mirror()方法完成屬性的設置。例如獲取boolean類型的屬性值，調用語句如下：

void Universe::initialize_basic_type_mirrors(TRAPS) {
   ...
   _bool_mirror    =  java_lang_Class::create_basic_type_mirror("boolean",T_BOOLEAN, CHECK);
   ...
}

方法create_basic_type_mirror()的實現如下：

oop java_lang_Class::create_basic_type_mirror(const char* basic_type_name, BasicType type, TRAPS) {
  // This should be improved by adding a field at the Java level or by
  // introducing a new VM klass (see comment in ClassFileParser)
  oop java_class = InstanceMirrorKlass::cast(SystemDictionary::Class_klass())->allocate_instance(NULL, CHECK_0);
  if (type != T_VOID) {
    Klass* aklass = Universe::typeArrayKlassObj(type);
    assert(aklass != NULL, "correct bootstrap");
    set_array_klass(java_class, aklass); // 設置表示基本類型數組的TypeArrayKlass的
  }
  return java_class;
}

通過InstanceMirrorKlass對象（表示java.lang.Class類）來創建oop（表示java.lang.Class對象），所以_component_mirror最終設置的就是這個oop。引用類型組成的一維或多維數組的基本元素可以使用Klass對象來表示，如對於下面即將要介紹的Object[]來說，元素類型為Object，所以可以使用InstanceKlass來表示；基本類型組成的一維或多維數組的基本元素沒有對應的Klass對象，所以只能使用Class對象來描述boolean、int等，這樣就會與表示Class對象的InstanceMirrorKlass對象產生關係，相關屬性最終的值如下所示。

TypeArrayKlass._component_mirror=InstanceMirrorKlass

InstanceMirrorKlass._array_klass=TypeArrayKlass

其它的屬性設置很簡單，這裡不在介紹。

（2）ObjArrayKlass類

ObjArrayKlass是ArrayKlass的子類，用於表示數組元素是類或者數組

class ObjArrayKlass : public ArrayKlass {
  ...
 private:
  Klass* _element_klass;            // The klass of the elements of this array type
  Klass* _bottom_klass;             // The one-dimensional type (InstanceKlass or TypeArrayKlass)
  ...
}

該類新增了2個屬性，如下：

_element_klass：數組元素對應的Klass引用，如果是多維數組，對應數組元素的ObjArrayKlass的引用
_bottom_klass：一維數組的類型，可以是InstanceKlass或者TypeArrayKlass。一維基本類型數組為TypeArrayKlass，而二維基本類型數組就會使用ObjArrayKlass來表示，所以其_bottom_klass會是TypeArrayKlass。

HotSpot在Universe::genesis()方法中創建Object數組，如下：

InstanceKlass* ik = InstanceKlass::cast(SystemDictionary::Object_klass());
_objectArrayKlassObj = ik->array_klass(1, CHECK); // 調用表示Object類的InstanceKlass類的array_klass()方法

調用array_klass()方法時傳遞的參數1表示創建一維數組。調用表示Object類的InstanceKlass對象的方法創建的，所以Object數組的創建要依賴於InstanceKlass對象（表示Object類）進行創建。

最終表示Object類的InstanceKlass與表示一維數組Object[]的ObjArrayKlass之間的相關屬性如下：

ObjArrayKlass._element_klass=InstanceKlass
ObjArrayKlass._bottom_klass=InstanceKlass 

InstanceKlass._array_name="[Ljava/lang/Object;"
InstanceKlass._array_klasses=ObjArrayKlass

ObjArrayKlass中其它的屬性設置也並不複雜，這裡不在介紹。

相關文章的鏈接如下：

1、在Ubuntu 16.04上編譯OpenJDK8的源程式碼

3、HotSpot項目結構　

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