HotSpot二分模型（1）

HotSpot采用了OOP-Klass模型来描述Java类和对象。OOP（Ordinary Object Pointer）指的是普通对象指针，而Klass用来描述对象的具体类型。

那么为何要设计这样一个一分为二的对象模型呢？因为类和对象本来就不是一个概念，分别使用不同的对象模型描述符合软件开发的设计思想。另外英文注释也说明了其中的一个原因：

One reason for the oop/klass dichotomy in the implementation is that we don't want a C++ vtbl pointer in every object. Thus,
normal oops don't have any virtual functions. Instead, they forward all "virtual" functions to their klass, which does have
a vtbl and does the C++ dispatch depending on the object's actual type. (See oop.inline.hpp for some of the forwarding code.)

根据注释描述，HotSopt的设计者不想让每个对象中都含有一个vtable（虚函数表），所以就把对象模型拆成klass和oop，其中oop中不含有任何虚函数，而klass就含有虚函数表，可以进行方法分发。

我们简单介绍一下C++中对象的内存布局，这样才能了解二分模型设计的原因。同时也要介绍一下关于C++中虚函数的分派，这样在讲解Java语言的多态时就不用再补这一块的C++知识了。

下面分情况介绍C++对象的内存局部。

1、只含有数据成员的对象 

class Base1{

public:
int base1_var1;
int base1_var2; 

};

通过在VS中配置/d1 reportSingleClassLayoutBase1命令来查看对象的内存布局，如下：

1>  class Base1	size(8):
1>  	+---
1>   0	| base1_var1
1>   4	| base1_var2
1>  	+---

可以看到，成员变量是按照定义的顺序来保存的，类对象的大小就是所有成员变量的大小之和。　

2、没有虚函数的对象

class Base1{

public:
int base1_var1;
int base1_var2; 

void func(){}
};

C++中有方法的动态分派，就类似于Java中方法的多态。而C++实现动态分派主要就是通过虚函数来完成的，非虚函数在编译时就已经确定调用目标。C++中的虚函数通过关键字virtual来声明，如上函数func()没有virtual关键字，所以是非虚函数。　　

查看内存布局，如下：

1>  class Base1	size(8):
1>  	+---
1>   0	| base1_var1
1>   4	| base1_var2
1>  	+---

非虚函数不会影响内存布局。　

3、含有虚函数的对象 

class Base1{

public:
int base1_var1;
int base1_var2; 

virtual void base1_fun1() {}

};

内存布局如下：

1>  class Base1	size(16):
1>  	+---
1>   0	| {vfptr}
1>   8	| base1_var1
1>  12	| base1_var2
1>  	+---

在64位环境下，指针占用8字节，而vfptr就是指向虚函数表（vtable）的指针，其类型为void**, 这说明它是一个void*指针。类似于在类Base1中定义了如下类似的伪代码：

void* vtable[1] = {  &Base1::base1_fun1  };

const void**  vfptr = &vtable[0];

另外我们还可以看到，虚函数指针vfptr位于所有的成员变量之前。　

我们在上面的例子中再添加一个虚函数，如下：

virtual void base1_fun2() {}

内存布局如下：

1>  class Base1	size(16):
1>  	+---
1>   0	| {vfptr}
1>   8	| base1_var1
1>  12	| base1_var2
1>  	+---

可以看到，内存布局无论有一个还是多个虚函数都是一样的，改变的只是vfptr指向的虚函数表中的项。类似于在类Base1中定义了如下类似的伪代码：　

void* vtable[] = { &Base1::base1_fun1, &Base1::base1_fun2 };

const void** vfptr = &vtable[0];

　　

4、继承类对象

class Base1{

public:

int base1_var1;
int base1_var2;

virtual void base1_fun1() {}
virtual void base1_fun2() {}

};

class Derive1 : public Base1{

public:

int derive1_var1;
int derive1_var2;

};

通过在VS中配置/d1 reportSingleClassLayoutDerive1命令来查看Derive1对象的内存布局，如下：

1>  class Derive1	size(24):
1>  	+---
1>  	| +--- (base class Base1)
1>   0	| | {vfptr}
1>   8	| | base1_var1
1>  12	| | base1_var2
1>  	| +---
1>  16	| derive1_var1
1>  20	| derive1_var2
1>  	+---

可以看到，基类在上边, 继承类的成员在下边，并且基类的内存布局与之前介绍的一模一样。继续来改造如上的实例，为派生类Derive1添加一个与基本base1_fun1()函数一模一样的虚函数，如下：

class Base1{

public:

int base1_var1;
int base1_var2;

virtual void base1_fun1() {}
virtual void base1_fun2() {}

};

class Derive1 : public Base1{

public:

int derive1_var1;
int derive1_var2;

virtual void base1_fun1() {} // 覆盖基类函数

};

布局如下：

1>  class Derive1	size(24):
1>  	+---
1>  	| +--- (base class Base1)
1>   0	| | {vfptr}
1>   8	| | base1_var1
1>  12	| | base1_var2
1>  	| +---
1>  16	| derive1_var1
1>  20	| derive1_var2
1>  	+---

基本的布局没变，不过由于发生了虚函数覆盖，所以虚函数表中的内容已经发生了变化，类似于在类Derive1中定义了如下类似的伪代码：　　

void* vtable[] = { &Derive1::base1_fun1, &Base1::base1_fun2 };

const void** vfptr = &vtable[0];

可以看到，vtable[0]指针指向的是Derive1::base1_fun1()函数。所以当调用Derive1对象的base1_fun1()函数时，会根据虚函数表找到Derive1::base1_fun1()函数进行调用，而当调用Base1对象的base1_fun1()函数时，由于Base1对象的虚函数表中的vtable[0]指针指向Base1::base1_func1()函数，所以会调用Base1::base1_fun1()函数。是不是和Java中方法的多态很像？那么HotSpot虚拟机是怎么实现Java方法的多态呢？我们后续在讲解Java方法时会详细介绍。

下面继续看虚函数的相关实例，如下：

class Base1{

public:

int base1_var1;
int base1_var2;

virtual void base1_fun1() {}
virtual void base1_fun2() {}

};

class Derive1 : public Base1{

public:

int derive1_var1;
int derive1_var2;

virtual void derive1_fun1() {}

};

对象的内存布局如下：　

1>  class Derive1	size(24):
1>  	+---
1>  	| +--- (base class Base1)
1>   0	| | {vfptr}
1>   8	| | base1_var1
1>  12	| | base1_var2
1>  	| +---
1>  16	| derive1_var1
1>  20	| derive1_var2
1>  	+---

对象的内存布局没有改变，改变的仍然是虚函数表，类似于在类Derive1中定义了如下类似的伪代码：　　

void* vtable[] = { &Derive1::base1_fun1, &Base1::base1_fun2，&Derive1::derive1_fun1 };

const void** vfptr = &vtable[0];

可以看到，在虚函数表中追加了&Derive1::derive1_fun1()函数。　　

好了，关于对象的布局我们就简单的介绍到这里，因为毕竟不是在研究C++，只要够我们研究HotSpot时使用就够了，更多关于内存布局的知识请参考其它文章或书籍。