Java 中,先有Class还是先有Object?

沉默王二2022年4月13日
大约 5 分钟

Java 对象模型中:

  • 所有的类都是Class类的实例,Object是类,那么Object也是Class类的一个实例。
  • 所有的类都最终继承自Object类,Class是类,那么Class也继承自Object。

那到底是先有Class还是先有Object? JVM 是怎么处理这个“鸡·蛋”问题呢?

针对这个问题,我在知乎上看到了 R 大的一个回答,正好解答了我心中的疑惑,就分享出来给各位小伙伴一个参考和启发~

作者:RednaxelaFX,整理:沉默王二,参考链接:https://www.zhihu.com/question/30301819/answer/47539163open in new window


“鸡・蛋”问题通常都是通过一种叫“自举”(bootstrap)的过程来解决的。

“鸡蛋问题”的根本矛盾就在于假定了“鸡”或“蛋”的其中一个要先进入“完全可用”的状态。而许多现实中被简化为“鸡蛋问题”的情况实际可以在“混沌”中把“鸡”和“蛋”都初始化好,而不存在先后问题;在它们初始化的过程中,两者都不处于“完全可用”状态,而完成初始化后它们就同时都进入了可用状态。

打个比方,番茄炒蛋。并不是要先把番茄完全炒好,然后把鸡蛋完全炒好,然后把它们混起来;而是先炒番茄炒到半熟,再炒鸡蛋炒到半熟,然后把两个半熟的部分混在一起同时炒熟。

对于先有Class还是先有Object这个问题来说,题主假设所有的类都是Class类的实例,Object是类,那么Object也是Class类的一个实例,这个假设就是错的。

java.lang.Object是一个Java类,但并不是java.lang.Class的一个实例。后者只是一个用于描述Java类与接口的、用于支持反射操作的类型。这点上Java跟其它一些更纯粹的面向对象语言(例如Python和Ruby)不同。

第二个假设“所有的类都最终继承自Object类,Class是类,那么Class也继承自Object”是对的,java.lang.Classjava.lang.Object的派生类,前者继承自后者。

虽然第1个假设不对,但“鸡蛋问题”仍然存在:在一个已经启动完毕、可以使用的Java对象系统里,必须要有一个java.lang.Class实例对应java.lang.Object这个类;而java.lang.Classjava.lang.Object的派生类,按“一般思维”,前者应该要在后者完成初始化之后才可以初始化…

事实是:这些相互依赖的核心类型完全可以在“混沌”中一口气都初始化好,然后对象系统的状态才叫做完成了“bootstrap”,后面就可以按照Java对象系统的一般规则去运行。JVM、JavaScript、Python、Ruby等的运行时都有这样的bootstrap过程。

在“混沌”(boostrap过程)里,JVM可以为对象系统中最重要的一些核心类型先分配好内存空间,让它们进入[已分配空间]但[尚未完全初始化]状态。

此时这些对象虽然已经分配了空间,但因为状态还不完整所以尚不可使用。然后,通过这些分配好的空间把这些核心类型之间的引用关系串好。

到此为止所有动作都由JVM完成,尚未执行任何Java字节码。然后这些核心类型就进入了[完全初始化]状态,对象系统就可以开始自我运行下去,也就是可以开始执行Java字节码来进一步完成Java系统的初始化了。

在HotSpot VM里,有一个叫做“Universe”的C++类用于记录对象系统的总体状态。它有这么两个有趣的字段记录当前是处于bootstrapping阶段还是已经完全初始化好:

static bool is_bootstrapping()                      { return _bootstrapping; }
static bool is_fully_initialized()                  { return _fully_initialized; }

然后Universe::genesis()函数会在bootstrap阶段中创建核心类型的对象模型,其中会调用SystemDictionary::initialize()来初始化对象系统的核心类型,其中会进一步跑到SystemDictionary::initialize_preloaded_classes()来创建java.lang.Objectjava.lang.Class等核心类型。

这个函数在加载了java.lang.Objectjava.lang.Class等核心类型后会调用Universe::fixup_mirrors()来完成前面说的“把引用关系串起来”的动作:

// Fixup mirrors for classes loaded before java.lang.Class.
// These calls iterate over the objects currently in the perm gen
// so calling them at this point is matters (not before when there
// are fewer objects and not later after there are more objects
// in the perm gen.
Universe::initialize_basic_type_mirrors(CHECK);
Universe::fixup_mirrors(CHECK);

void Universe::fixup_mirrors(TRAPS) {
  // Bootstrap problem: all classes gets a mirror (java.lang.Class instance) assigned eagerly,
  // but we cannot do that for classes created before java.lang.Class is loaded. Here we simply
  // walk over permanent objects created so far (mostly classes) and fixup their mirrors. Note
  // that the number of objects allocated at this point is very small.

  // ...
}

就是这样:“Object里有一个成员变量指向Class类实例c,c保存这个Object成员、方法的名字和地址的Map映射用作反射。”涉及到主类有这么几个:

http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/ade5be2b1758/src/share/vm/memory/universe.hpp#l399
http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/ade5be2b1758/src/share/vm/memory/universe.cpp#l259
http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/ade5be2b1758/src/share/vm/classfile/systemDictionary.cpp#l1814

分享的最后,二哥要简单说两句,每次看 R 大的内容,总是感觉膝盖忍不住要跪一下,只能说写过 JVM 的男人就是不一样。喜欢研究 CPP 源码的话小伙伴可以再深入学习下,一定会有所收获。


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