HotSpot的类模型（4）

我们继续接着上一篇 HotSpot的类模型（3）分析，这次主要分析表示java数组的C++类。

4、ArrayKlass类

ArrayKlass继承自Klass，是所有数组类的抽象基类，类及重要属性的定义如下：

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的基础上增加的属性如下表所示。

字段	作用
_dimension	int类型，表示数组的维度，记为n
_higher_dimension	Klass指针，表示对n+1维数组Klass的引用
_lower_dimension	Klass指针，表示对n-1维数组Klass的引用
_vtable_len	int类型，虚函数表的长度
_component_mirror	oop，数组元素对应的java/lang/Class对象的Oop

_vtable_len的值为5，因为数组是引用类型，父类为Object类，而Object类中有5个虚方法可被用来继承和重写，如下：

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

_dimension、_higher_dimension与_lower_dimension对于一维及多维数组的描述非常重要，属性值的设置相对简单，这里不在介绍。

5、ArrayKlass类的子类

（1）TypeArrayKlass类

TypeArrayKlass是ArrayKlass的子类，用于表示数组元素是基本类型的数组

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

_max_length表示该数组允许的最大长度。

数组类和普通类不同，数组类没有对应的Class文件，所以数组类是直接被虚拟机创建的。HotSpot在初始化时就会创建好8个基本类型的一维数组对象TypeArrayKlass。之前在讲解HotSpot启动时讲到过，调用initializeJVM()方法初始化HotSpot，这个方法会最终调用到Universe::genesis()方法，在这个方法中初始化基本类型的一维数组对象TypeArrayKlass。例如初始化boolean类型的一维数组，调用语句如下：

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

其中_boolArrayKlassObj是声明在universe.cpp文件中的全局变量，如下：

Klass* Universe::_boolArrayKlassObj                 = NULL;

调用TypeArrayKlass::create_klass()方法创建TypeArrayKlass对象，具体就是调用TypeArrayKlass::create_klass()方法来完成，方法的实现如下：

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);
  // 调用的构造函数在下面
  return new (loader_data, size, THREAD) TypeArrayKlass(type, name);
}

非常类似于InstanceKlass等对象的创建，首先获取需要内存的大小size，然后通过重载new运算符完成对象内存分配后，调用TypeArrayKlass初始化一些属性，TypeArrayKlass的构造函数如下：

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)); // 设置数组的最大长度
  ...
}

下面详细介绍一下对_layout_helper属性的设置。调用Klass::array_layout_helper()方法获取_layout_helper属性的值

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表示数组对象头部大小
  int  esize = type2aelembytes(etype); // 对应类型存储所需要的字节数
  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;
}

关于_layout_helper在之前已经介绍过，由于T_BOOLEAN为基本类型，所以值为0xC0；hsize调用arrayOopDesc::base_offset_in_bytes()方法获取，值为16，后面在讲解arrayOopDesc时会介绍，数组对象其实是由对象头、对象字段数据和对齐填充组成，而这里获取的就是对象头的大小；esize表示对应类型存储所需要的字节数，对于T_BOOLEAN来说，只需要1个字节即可，所以esz为0。最后调用array_layout_helper()方法按照约定组合成一个int类型的数字即可。array_layout_helper()方法的实现如下：

 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
  }

另外还有对_component_mirror属性的设置。对于一维基本类型的数组来说，这个值是java.lang.Class对象。Class对象使用oop对象来表示，调用java_lang_Class::create_basic_type_mirror()方法获取_component_mirror属性的值，通过java_lang_Class::create_mirror()方法完成属性的设置。例如获取boolean类型的属性值，调用语句如下：

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()的实现如下：

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); // 设置表示基本类型数组的TypeArrayKlass的
  }
  return java_class;
}

通过InstanceMirrorKlass对象（表示java.lang.Class类）来创建oop（表示java.lang.Class对象），所以_component_mirror最终设置的就是这个oop。引用类型组成的一维或多维数组的基本元素可以使用Klass对象来表示，如对于下面即将要介绍的Object[]来说，元素类型为Object，所以可以使用InstanceKlass来表示；基本类型组成的一维或多维数组的基本元素没有对应的Klass对象，所以只能使用Class对象来描述boolean、int等，这样就会与表示Class对象的InstanceMirrorKlass对象产生关系，相关属性最终的值如下所示。

TypeArrayKlass._component_mirror=InstanceMirrorKlass

InstanceMirrorKlass._array_klass=TypeArrayKlass

其它的属性设置很简单，这里不在介绍。

（2）ObjArrayKlass类

ObjArrayKlass是ArrayKlass的子类，用于表示数组元素是类或者数组

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)
  ...
}

该类新增了2个属性，如下：

_element_klass：数组元素对应的Klass引用，如果是多维数组，对应数组元素的ObjArrayKlass的引用
_bottom_klass：一维数组的类型，可以是InstanceKlass或者TypeArrayKlass。一维基本类型数组为TypeArrayKlass，而二维基本类型数组就会使用ObjArrayKlass来表示，所以其_bottom_klass会是TypeArrayKlass。

HotSpot在Universe::genesis()方法中创建Object数组，如下：

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

调用array_klass()方法时传递的参数1表示创建一维数组。调用表示Object类的InstanceKlass对象的方法创建的，所以Object数组的创建要依赖于InstanceKlass对象（表示Object类）进行创建。

最终表示Object类的InstanceKlass与表示一维数组Object[]的ObjArrayKlass之间的相关属性如下：

ObjArrayKlass._element_klass=InstanceKlass
ObjArrayKlass._bottom_klass=InstanceKlass 

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

ObjArrayKlass中其它的属性设置也并不复杂，这里不在介绍。