HSDB 告诉我们 Java 对象的内存地址

2020-04-22 约 1425 字预计阅读 3 分钟

我们都知道在 Java 中类的实例都是在 heap 中分配内存，也就是说实例对象都是存储在 heap 中。那么类对象是否也存在 heap 中呢? 为了找到这个问题的答案我们使用 HSDB(HotSpot Debugger) 来看看类对象的内存布局。

背景知识

在此之前我们应该了解有关 Java 对象的两个重要概念 Oop 和 Klass

Oop
在 Java 程序运行的过程中，每创建一个新的对象，在 JVM 内部就会相应地创建一个对应类型的 oop（普通对象指针）对象。各种 oop 类的共同基类为 oopDesc 类。在 JVM 内部，一个 Java 对象在内存中的布局可以连续分成两部分：对象头（instanceOopDesc）和实例数据（成员变量）。 instanceOopDesc 对象头包含两部分信息：Mark Word 和元数据指针(Klass*)：
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volatile markOop _mark; union _metadata { Klass* _klass; narrowKlass _compressed_klass; } _metadata;

Klass 每个Java对象的对象头里，_klass 字段会指向一个VM内部用来记录类的元数据用的 InstanceKlass 对象；InsanceKlass 里有个 _java_mirror 字段，指向该类所对应的Java镜像——java.lang.Class实例。HotSpot VM 会给 Class 对象注入一个隐藏字段 “klass”，用于指回到其对应的 InstanceKlass 对象。这样，klass 与 mirror 之间就有双向引用，可以来回导航。这个模型里，java.lang.Class 实例并不负责记录真正的类元数据，而只是对VM内部的 InstanceKlass 对象的一个包装供 Java 的反射访问用。

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Java object --->  InstanceKlass  <---> java.lang.Class instance(java mirror)
[_mark]           [...]              [klass](隐藏字段)
[_klass]          [_java_mirror] 
[fileds]          [...]

Java 对象探究

示例代码

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public class BaseApplication {

    final static CountDownLatch cd = new CountDownLatch(10);

    private static int a = 0;

    private static class Task {
        private String b = "task";

        private void method(){
            a++;
            System.out.println(b + a);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Task task = new Task();
        task.method();
    }
}

使用 HSDB 步骤

在 method 内部打上断点，以 debug 模式运行
启动 HSDB (根据自己 jdk 安装路径)
sudo java -cp /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_171.jdk/Contents/Home/lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB
attch to HotSpot process
这一步先使用 jps 获取到 java 进程 id

分析 Java 对象

进入 HSDB 后选择对应的线程，如 main 线程，然后在 Tools tab 里选择 Object Histogram 找到要分析的类

然后双击该类会看到有多少实例被创建出来，选中某一个实例 inspect 我们就能看到这个对象的真正在 JVM 里的构成即我们上面所说的 Oop

可以使用另外一种方式找到 Klass, 在 Tools tab 选择 Class Browser 搜索关键字

现在来看 Task 的实例内存地址 0x00000007959380b8，这个地址位于 JVM 中的内存模型中哪一个区域呢？
在 Window 命令行中执行
hsdb> universe Heap Parameters: ParallelScavengeHeap [ PSYoungGen [ eden = [0x0000000795580000,0x0000000795a14678,0x0000000797600000] , from = [0x0000000797b00000,0x0000000797b00000,0x0000000798000000] , to = [0x0000000797600000,0x0000000797600000,0x0000000797b00000] ] PSOldGen [ [0x0000000740000000,0x0000000740000000,0x0000000745580000] ] ]

能清楚的看到实例的内存地址 0x00000007959380b8 在 eden 的地址范围之内，所以是实例都是在 JVM 的堆里分配内存。

分析 Class 对象

以示例代码中的 BaseApplication 类为例，我们先找到 InstanceKlass，然后通过 _java_mirror 找到 Class 对象

通过上图和 Class 对象的内存地址 0x0000000795924de0 清楚的看到 Class 对象的地址同样在 eden 的范围之内，即在堆上，并且类的静态成员变量就在 Class 对象中。

指针压缩

在上面的探究过程中，同样发现了指针压缩的证据。在分析实例对象的时候，我们知道对象头有指向 InstanceKlass 的指针，我们先具体看看这个指针的数据是什么样子的？

通过上图我们看到指针的值是 0x00000000f800c392, 而真实的 InstanceKlass的内存地址是 0x00000007c0061c90

这就是指针压缩的的结果，当开启指针压缩的时候，JVM 按照8字节寻址。 CompressedOops 转换成地址：ObjectAddress64 = BaseAddress64 + 8*CompressedOops
JVM 进程可以请求操作系统把堆的基址分配在虚地址为 0 的位置，那么 CompressedOops 转换成地址，就成了：ObjectAddress64 = 8*CompressedOops 也就是说 InstanceKlass 内存地址是对象中的指针左移 3 位可得(32位压缩指针能寻址2^35个字节（即32GB）的地址空间，超过 32GB 则会关闭压缩指针)。转换成二进制可以清楚的看出

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# 0x00000000f800c392 (左移3位得到内存地址)
11111000000000001100001110010010
# 0x00000007c0061c90 
11111000000000001100001110010010000

所以，如果我们关闭指针压缩，JVM 按照1字节来寻址，那是不是 ObjectAddress64 = CompressedOops
首先加上启动参数，关闭指针压缩 -XX:-UseCompressedOops
通过下图我们看到确实两者一致

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