【JVM】内存分析工具jhsdb

导读

开发环境

Oop-Klass模型

在JVM中，并没有根据Java实例对象直接通过虚拟机映射到新建的C++对象，而是定义了各种Oop-Klass：

• Oop(ordinary object pointer)，用来描述对象实例信息。
• Klass，用来描述 Java 类，是虚拟机内部Java类型结构的对等体 。

Oop体系

看到Oop，大家第一反应一定是Object-oriented programming(面向对象程序设计)，但是这里的Oop，是值Ordinary Object Pointer，即标准对象指针，它用来表示对象的实例信息。

在JVM源码里，oopsHierarchy.hpp中定义了oop和klass各自的体系，下面是Oop的体系：

  typedef  class oopDesc*							oop;//所有oops共同基类typedef  class instanceOopDesc*              	instanceOop;//Java类实例对象typedef  class methodOopDesc*               	methodOop;//Java方法对象typedef  class constMethodOopDesc*      		constMethodOop;//方法中的只读信息对象typedef  class methodDataOopDesc* 			methodDataOop;//方法性能统计对象typedef  class arrayOopDesc*     				arrayOop;//描述数组typedef  class objArrayOopDesc*              objArrayOop;//描述引用数据类型数组typedef  class typeArrayOopDesc*             typeArrayOop;//描述基本数据类型数组typedef  class constantPoolOopDesc*			constantPoolOop;//class文件中的常量池typedef  class constantPoolCacheOopDesc*		constantPoolCacheOop;//常量池缓存typedef  class klassOopDesc*					klassOop;//指向klass实例typedef  class markOopDesc*					markOop;//对象头typedef  class compiledICHolderOopDesc*		compiledICHolderOop;

为了简化变量名，JVM统一将结尾的Desc去掉，以Oop为结尾命名。

在Oop体系中，分别使用不同的Oop来表示不同的对象，在代码的注释中，笔者已经注明了每一种oop分别用于表示什么对象。HotSpot认为用这些模型，便足以描述Java程序的全部内容。

Klass体系

在JVM源码里，oopsHierarchy.hpp中定义了oop和klass各自的体系，下面是Klass的体系：

  class                        Klass;//klass家族的基类class                InstanceKlass;//虚拟机层面与Java类对等的数据结构class          InstanceMirrorKlass;//描述java.lang.Class的实例class     InstanceClassLoaderKlass;//描述类加载器的实例class             InstanceRefKlass;//描述java.lang.Reference的子类class                  MethodKlass;//表示Java类中的方法class          ConstantMethodKlass;//描述Java类方法所对应的字节码指令信息的固有属性class                   KlassKlass;//Klass链路的末端，在Jdk8已不存在class               ConstPoolKlass;//描述字节码文件中常量池的属性class                   ArrayKlass;//描述数组的信息，是抽象类。class                ObjArrayKlass;//ArrayKlass的子类，描述引用类型的数组类元信息class               TypeArrayKlass;//ArrayKlass的子类，描述普通配型的数组类元信息

Klass主要提供一下两种能力：

• klass提供一个与 Java 类对等的 C++类型描述。
• klass提供虚拟机内部的函数分发机制 。

由于在JVM中，Java类是以Oop和Klass分别进行表示的，所以Klass体系基本和Oop体系相互对应。

Oop-Klass模型的简易理解

在JVM中，使用Oop-Klass模型这种一分为二的模型区描述Java类，但是笔者认为这种叫法并不是特别容易让人理解，对于初学者来说，什么是Oop，什么是Klass？并没有一种可以顾名思义的解读。

实际上，无非就是元数据和实例数据进行分离，所以初学者看到这里，不妨可以把他直接理解为data-meta模型，data即oop、而meta即klass，这样就可以很好地理解Oop-Klass这个概念了。

而实际上，在JVM中，Klass保存元数据这个概念会更好理解一些，如果你看过JVM源码，你会发现，实际上在JVM源码中Klass正是继承Metadata类的。

JVM分析

示例代码

class Fu {int a = 0x111;int b = 0x222;
}class Zi extends Fu {int a = 0x333;int d = 0x444;
}// 目前不知道怎么使用`VM.current().addressOf`
// 通过其他方式获取对象zi内存地址
public class Foo {public static void main(String[] args) {Zi zi = new Zi();System.out.println(zi);Scanner sc = new Scanner(System.in);sc.next();}
}

jhsdb基本使用

1. 执行Foo.java
   set MY_JAVA_HOME=D:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2021.3\jbr\bin
"%MY_JAVA_HOME%\javac.exe" -Dfile.encoding=UTF-8 Foo.java
"%MY_JAVA_HOME%\java.exe" -Dfile.encoding=UTF-8 Foo

2. jps主要用于查看java进程列表。
   

3. 启动jhsdb.exe
   jhsdb.exe hsdb：图形化界面java内存分析工具（Hotspot Debugger）。
   "D:\Program Files\JetBrains\IntelliJ IDEA 2021.3\jbr\bin\jhsdb.exe" hsdb
   
   

通过菜单Tools > Class Browser，查看类关系：

通过菜单Tools > Object Histogram，打开Object直方图：

搜索类名Zi，双击打开Show Objects of Type工具窗口，可以看到对象的内存大小为32，类对象个数为1：

选中该项，点击Inspector，查看对象内容：

我们通过菜单Tools > Memory Viewer打开Memory Viewer窗口，

jhsdb：Oop-Klass分析

上面就是JHSDB工具的基本使用流程了，下面我们针对对象内存和类结构进行分析。

1. java对象内存结构（Oop）：
先看个图片，对其结构了解下。

我们通过下图对其进行解释：

• 蓝色为_mark字段，占8字节
• 黄色为_metadata字段，占4字节
• 绿色为_field字段，根据对象内容占不同大小的字节数
• 最后为padding字段，需要对其，则占4字节；否则不占空间（参考C内存对其相关知识，jvm是c写的。）
  

2. 类结构信息（Klass）：
还是先看个网图：

从上面的图中我们可以看到，_metadata字段指向了类的信息，该数据是压缩的，将该值前面添加8，表示类地址，即0x8 << 32 + 0x00060450 --> 0x800060450。
我们可以通过HSDB查看详细的类结构（类信息、父类信息等）：

openjdk.jol实现内存分析

1. 新建一个maven工程，引入下面包

<dependency><groupId>org.openjdk.jol</groupId><artifactId>jol-core</artifactId><version>0.16</version>
</dependency>

2. 编写测试代码

class Fu {int a = 0x111;int b = 0x222;
}class Zi extends Fu {int a = 0x333;int d = 0x444;
}// 目前不知道怎么使用`VM.current().addressOf`
// 通过其他方式获取对象zi内存地址
public class Foo {public static void main(String[] args) {Zi zi = new Zi();System.out.println(zi);// 打印对象的内存地址System.out.println(Long.toHexString(VM.current().addressOf(zi)));// 打印对象的结构ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(zi);System.out.println(layout.toPrintable());Scanner sc = new Scanner(System.in);sc.next();}
}

3. 查看结果

com.khz.test.Zi@4f8e5cdecom.khz.test.Zi object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE0   8        (object header: mark)     0x0000004f8e5cde01 (hash: 0x4f8e5cde; age: 0)8   4        (object header: class)    0x00c033e012   4    int Fu.a                      27316   4    int Fu.b                      54620   4    int Zi.a                      81924   4    int Zi.d                      109228   4        (object alignment gap)    
Instance size: 32 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

总结：
从上面可以看出，代码实现的和我们通过jhsdb工具分析的结果是一样的。

踩坑

ps:
Memory Viewer一开始还可以查看，点的多了后，JHSDB工具就开始报错，无法查看了；忽发奇想，用CE代替Memory Viewer工具。

ps:
启动java程序的jdk需要和jhsdb.exe版本相同，否则会如下报错：

参考资料

• 黑马程序员Java零基础视频教程(2022最新Java入门，含斯坦福大学练习题+力扣算法题+大厂java面试题） https://www.bilibili.com/video/BV17F411T7Ao?p=30
• 第2.5篇-HotSpot的对象模型（5）https://www.cnblogs.com/mazhimazhi/p/13289686.html
• 类和对象在JVM中是如何存储的，竟然有一半人回答不上来！https://zhuanlan.zhihu.com/p/296322730
• java对象的内存布局以及使用ClassLayout查看布局 https://blog.csdn.net/m0_50163856/article/details/124190876