C++ 重载运算符在HotSpot VM中的应用

c++,重载,运算符,hotspot,vm,应用 · 浏览次数 : 37

小编点评

**C++运算符重载** C++支持运算符重载，允许在编译器编译时为特定运算符分配不同的实现。对于 Java 开发人员来说，由于 Java 不支持运算符重载，这可能比较陌生。 **内存分配与释放在C++中** C++ 中可以使用 `new`运算符创建对象，并使用 `delete`运算符释放对象的内存空间。由于 C++ 没有 Java 的 GC托管技术，因此分配出来的内存时刻要手动释放。 **句柄** 句柄是一种间接操作实例的机制，可以用于间接操作实例，让 GC 能够集中扫描到栈中引用的 Java 对象。 **重载运算符** C++ 可以重载 `new` 和 `delete` 运算符，通过在 `class` 中定义这些方法，为实例提供不同的内存分配和释放逻辑。 **示例** ```cpp // 重载 new 运算符 void* Klass::operator new(size_t size, ClassLoaderData* loader_data, size_t word_size, TRAPS) throw() { // 在元数据区分配内存空间 void* x = Metaspace::allocate(...); return x; } // 重载 delete 运算符 void Klass::operator delete(void* x) { // 在元数据区释放内存 Metaspace::deallocate(x); } ```

正文

C++支持运算符重载，对于Java开发者来说，这个可能比较陌生一些，因为Java不支持运算符重载。运算符重载本质上来说就是函数重载。下面介绍一下HotSpot VM中的运算符重载。

1、内存分配与释放

在C++中可以通过new运算符创建一个C++的类实例，这个操作实际上上包含了如下3个步骤：

调用operator new的标准库函数。此函数会分配一块内存空间以便函存储相应类型的实例。
调用相应类的构造函数
返回一个指向该对象的指针

同样，可以delete运算符释放对应的内存，实际执行如下2个步骤：

调用相应类的析构函数
调用operator delete标准库函数释放内存。

由于C++没有Java的GC托管技术，所以分配出来的内存时刻要惦记着释放，这是一件非常不容易的事情。通常的做法是，内存申请和释放集中到一个地方管理，所以才会有Metaspace或Arena这些相对复杂一些的内存管理机制。

有了我们自己设计的内存管理机制后，就可以重载new运算符，让实例从特定的内存空间中申请和释放内存了，例如HotSpot VM在Klass类中重载了new运算符：

void* Klass::operator new(size_t size, ClassLoaderData* loader_data, size_t word_size, TRAPS) throw() {
  // 在元数据区分配内存空间
  void* x = Metaspace::allocate( 
				 loader_data,
				 word_size,
				 false,   /*read_only*/
				 MetaspaceObj::ClassType,
				 CHECK_NULL
			 );
  return x;
}

在使用new关键字创建Klass或子类的实例时，都会调用Metaspace::allocate()函数从元数据区分配内存；在Klass类中，我们没有看到重载delete运算符，因为删除一个类并没有那么简单，需要借助GC来完成。元数据区具体管理内存的办法，以及分配和释放的逻辑可参看《深入剖析Java虚拟机：源码剖析与实例详解》中的8.2节。
在HotSpot VM中重载new和delete运算符的地方非常多，不过oop并不是这样做的，这应该是考虑到它相对复杂的内存分配逻辑和初始化过程吧。

2、句柄

关于句柄，我在之前第2.7篇-操作句柄Handle 详细介绍过它的作用。句柄要间接操作实例，让GC能够集中扫描到栈中引用到的Java对象。
句柄的相关定义如下：

class Handle {
private:
    oop *_handle; // oop的类型为oopDesc*

protected:
    oop obj() const {
        return _handle == NULL ? (oop) NULL : *_handle;
    }
    oop non_null_obj() const {
        return *_handle;
    }

public:
    // 重载了()、->和==运算符
    oop operator()() const { return obj(); }
    oop operator->() const { return non_null_obj(); }
    bool operator==(oop o) const { return obj() == o; }
    bool operator==(const Handle &h) const { return obj() == h.obj(); }
};

句柄中重载了()、->和==运算符，我们可以这样操作：

oop obj1 = ...;
// 将对象封装为句柄
Handle h1(obj1); 

// 获取被封装的对象，会调用到operator()()函数，这个函数返回*_handle
oop obj2 = h1();
// 直接调用oop中定义的相关函数，会调用到operator->()函数，
// 在这个函数中获取_handle值后调用_handle->print()函数 
h1->print();

这大大简化了相关操作的简洁性，操作句柄就感觉和操作oop是一样的效果

本人最近准备出一个手写Hotspot VM的课程，超级硬核，从0开始写HotSpot VM，将HotSpot VM所有核心的实现全部走一遍，如感兴趣，速速入群。

群里可讨论虚拟机和Java性能剖析与故障诊断等话题，欢迎加入。