类变量解析：静态/非静态偏移量

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-12-02 13:49 150阅读 0赞

**目录**

偏移量

静态变量偏移量

非静态变量偏移量

内存对齐

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根据常量池中的信息，JVM先进行内存分配，构建出constantPoolOop对象，为其分配足够的空间来保存字节码文件信息，再进行解析工作。在加载某一个类时，从常量池中还原出类里面定义的变量和方法，将它们保存到内存中，具体在constantPoolOop对象中的tag数组（存放一些索引等）和data区，在保存数据后，根据ClassFileParser::parseClassFile（）链路，一系列如魔数解析、父类、接口解析之后，便到了类变量的解析，虽然常量池解析已经把Java类的变量和方法都保存到了内存中，但这些数据还需要被JVM进一步解析，在链路中解析类变量的函数是parse\_fields（）。

ClassFileParser::parseClassFile（）里解析完常量池，父类和接口后，接着下一步解析类变量：

void ClassFileParse::parseClassFile(constantPoolHandle cp, int length, TRAPS) {
    	//....
    	struct FieldAllocationCount fac = {0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
    	objArrayHandle fields_annotations;
    	typeArrayHandle fields = parse_fields(cp, access_flags.is_interface(), 
    		&fac, &fields_annotations, CHECK_(nullHnalde));
    	//....
    }

首先初始化一个FieldAllocationCount结构体类变量fac，该结构体里面记录了5种静态类型变量和5种非静态类型变量的数量，所以一开始全部值都设为0：

struct FieldAllocationCount {
    	unsigned int static_oop_count;
    	unsigned int static_byte_count;
    	unsigned int static_short_count;
    	unsigned int static_word_count;
    	unsigned int static_double_count;
    	unsigned int nonstatic_oop_count;
    	unsigned int nonstatic_byte_count;
    	unsigned int nonstatic_short_count;
    	unsigned int nonstatic_word_count;
    	unsigned int nonstatic_double_count;
    }

五种静态和非静态类型分别是oop引用类型、byte字节类型、short短整型类型、word双字类型和double浮点类型，统计这些变量数量的作用是为后面JVM为Java类分配空间时计算需要的内存大小，完成类型变量数量初始化后，接下来就可以调用parse\_fields（）函数进行类变量解析了。

在Java字节码文件中，每一个变量的名称索引，访问控制表示和类型索引等属性类型都是u2，也就是占两个字节大小，所以每次调用cfs->get\_u2\_fast（）来获取索引解析，每当解析完一个变量后，接着调用fields->short\_at\_put（）函数将变量属性保存到对应的内存区域fields中，fields内存区的大小取决于Java类中的变量数量，计算大小的表达式为length \* instanceKlass::next\_offset，next\_offset的值为7，因此，假设length是4，u2类型的变量占两个字节，那么fields的大小就是7\*2\*4=56字节的内存空间。

## 偏移量 ##

在JVM解析每一个变量时，都会对它的类型进行统计，记录在上面说的FieldAllocationCount结构体类变量fac中，之后计算各个变量的偏移量。

### 静态变量偏移量 ###

计算静态变量偏移量的逻辑过程在ClassFileParser::parseClassFile()函数中：

typeArrayHandle ClassFileParser::parseClassFile(constantPoolHandle cp, bool is_interface, 
    	struct FieldAllocationCount *fac, objArrayHandle* fields_annotations, TRAPS) {
    		//....
    		// 各类偏移量
    		int static_fields_size = 0;
    		int next_static_oop_offset;
    		int next_static_double_offset;
    		int next_static_word_offset;
    		int next_static_short_offset;
    		int next_static_byte_offset;
    		int next_static_type_offset;
    		//....
    		
    		// 获取起始偏移量
    		next_static_oop_offset = instanceMirrorKlass::offset_of_static_fields();
    		next_static_double_offset = next_static_oop_offset + 
    									(fac.static_oop_count * heapOopSize);
    		next_static_word_offset = next_static_double_offset + 
    									(fac.static_double_count * BytesPerLong);
    		next_static_short_offset = next_static_word_offset + 
    									(fac.static_word_count * BytesPerInt);
    		next_static_byte_offset = next_static_short_offset + 
    									(fac.static_short_count * BytePerShort);
    		next_static_type_offset = align_size_up((next_static_byte_offset + 
    									fac.static_byte_count), wordSize);
    		// 计算所用静态变量字节数
    		static_field_size = (next_static_type_offset - next_static_oop_offset) / wordSize;	
    		//....	
    														
    	}

首先获取起始的偏移量，然后按顺序依次累加，从static\_oop到static\_byte，得到总的偏移量，从上图可以看到，按顺序每一个数据类型的偏移量都由前一个数据类型的数量和字节宽度决定。

### 非静态变量偏移量 ###

非静态变量偏移量的计算过程比静态的要复杂，一个Java类的内存空间主要都由非静态类型变量占用：

typeArrayHandle ClassFileParser::parseClassFile(constantPoolHandle cp, bool is_interface, 
    	struct FieldAllocationCount *fac, objArrayHandle* fields_annotations, TRAPS) {
    		//....
    		
    		int nonstatic_field_size = super_klass() == NULL ? 0 : super_klass->nonstatic_field_size();
    		
    		// 非静态变量起始偏移量
    		first_nonstatic_field_offset = instanceOopDesc::base_offset_in_bytes() + 
    										nonstatic_field_size * heapOopSize;
    		next_nonstatic_field_offset = first_nonstatic_field_offset;
    		
    		// 计算nonstatic_double_offset和nonstatic_oop_offset两者静态变量的起始偏移量
    		if (allocation_style == 0) {
    			next_nonstatic_oop_offset = next_nonstatic_field_offset;
    		}
    		
    		// 计算另外三种非静态类型的起始偏移量
    		next_nonstatic_word_offset = next_nonstatic_double_offset + 
    									(fac.nonstatic_double_count * BytesPerLong);
    		next_nonstatic_short_offset = next_nonstatic_word_offset + 
    									(fac.nonstatic_word_count * BytesPerInt);
    		next_nonstatic_byte_offset = next_nonstatic_short_offset + 
    									(fac.nonstatic_short_count * BytePerShort);
    									
    		//....
    	}

和计算静态偏移量一样，首先都要得到非静态变量的起始偏移量，之后的处理有点特殊，根据不同的分配方式，static\_oop和static\_double两者的起始偏移量是不同的，所以代码下一段要判断allocation\_style，最后再计算剩下三种类型变量的起始偏移量，偏移量相信大家都知道，在这里表示的是Java对象在JVM内部对应的instanceOop对象首地址的偏移位置。完成偏移量计算后，在计算总的非静态变量内存空间大小之前还需要做的一步是内存对齐。

## 内存对齐 ##

如果一个数据类型变量在内存中的起始地址是其长度的整数倍，那么可以认为该内存分配是自然对齐的，举个例子，在32位操作系统下，一个int类型变量长度为4个字节，如果变量的起始地址是0x00000010，十进制为16，那么该变量就是自然对齐的。假设一个int类型变量的起始地址为0x00000003，那么CPU对其进行多次访问才能读取到该地址变量的值，第一次从0x00000001到0x00000004这片连续区域中读取一个int类型的数据，第二次从0x00000051到0x00000008这片连续区域中读取数据，最后再把头和尾多出来的字节去掉，拼凑出目标地址0x00000003位置的结果出来，对比起内存对齐的数据类型变量来说，内存不对齐的在数据存储时会有效率上的损失，而如果内存起始地址是数据类型长度的倍数，那么存取数据时CPU可以一次访问就读出，不需要分多个周期。

Java程序中类的字段保存在堆内存中，最后映射成CPU所支持的数据类型，所以兼容不同平台的内存对齐是必须的，JVM对5个类型（oop、byte、short、word、double）都有对齐规则，保证内存起始地址能够被数据类型所占用的字节整除，具体方式除了内存补白外，还有字段重排，下一篇日志我会总结这两种方式，下一篇见！