Java对象结构与锁实现原理及MarkWord详解

阅读本博客前，需要了解基本的同步概念，传送门：http://note.youdao.com/noteshare?id=7f10475c6bb01658b955eaca531c0be6&sub=590214A72B3C455FAB266C4FB7A32698

我们都知道，Java对象存储在堆（Heap）内存。那么一个Java对象到底包含什么呢？概括起来分为对象头、对象体和对齐字节。如下图所示：

对象的几个部分的作用：

1.对象头中的Mark Word（标记字）主要用来表示对象的线程锁状态，另外还可以用来配合GC、存放该对象的hashCode；

2.Klass Word是一个指向方法区中Class信息的指针，意味着该对象可随时知道自己是哪个Class的实例；

3.数组长度也是占用64位（8字节）的空间，这是可选的，只有当本对象是一个数组对象时才会有这个部分；

4.对象体是用于保存对象属性和值的主体部分，占用内存空间取决于对象的属性数量和类型；

5.对齐字是为了减少堆内存的碎片空间（不一定准确）。

了解了对象的总体结构，接下来深入地了解对象头的三个部分。

一、Mark Word（标记字）

Java对象的状态主要靠Mark Word来标记，主要有5种，大部分与线程有关。这里以64位JVM为例：

以上是Java对象处于5种不同状态时，Mark Word中64个位的表现形式，上面每一行代表对象处于某种状态时的样子。其中各部分的含义如下：

lock:2位的锁状态标记位，由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息，所以设置了lock标记。该标记的值不同，整个Mark Word表示的含义不同。biased_lock和lock一起，表达的锁状态含义如下：

biased_lock       lock            状态

0                        01              无锁

1                        01              偏向锁

                          00              轻量级锁

                          10              重量级锁

                          11              GC标记

 

biased_lock：对象是否启用偏向锁标记，只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁，为0时表示对象没有偏向锁。lock和biased_lock共同表示对象处于什么锁状态。

age：4位的Java对象年龄。在GC中，如果对象在Survivor区复制一次，年龄增加1。当对象达到设定的阈值时，将会晋升到老年代。默认情况下，并行GC的年龄阈值为15，并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位，所以最大值为15，这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。

identity_hashcode：31位的对象标识hashCode，采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算，并会将结果写到该对象头中。当对象加锁后（偏向、轻量级、重量级），MarkWord的字节没有足够的空间保存hashCode，因此该值会移动到管程Monitor中。

thread：持有偏向锁的线程ID。

epoch：偏向锁的时间戳。

ptr_to_lock_record：轻量级锁状态下，指向栈中锁记录的指针。

ptr_to_heavyweight_monitor：重量级锁状态下，指向对象监视器Monitor的指针。

        我们通常说的通过synchronized实现的同步锁，真实名称叫做重量级锁。但是重量级锁会造成线程排队（串行执行），且会使CPU在用户态和核心态之间频繁切换，所以代价高、效率低。为了提高效率，不会一开始就使用重量级锁，JVM在内部会根据需要，按如下步骤进行锁的升级：

        1.初期锁对象刚创建时，还没有任何线程来竞争，对象的Mark Word是下图的第一种情形，这偏向锁标识位是0，锁状态01，说明该对象处于无锁状态（无线程竞争它）。

        2.当有一个线程来竞争锁时，先用偏向锁，表示锁对象偏爱这个线程，这个线程要执行这个锁关联的任何代码，不需要再做任何检查和切换，这种竞争不激烈的情况下，效率非常高。这时Mark Word会记录自己偏爱的线程的ID，把该线程当做自己的熟人。如下图第二种情形。

        3.当有两个线程开始竞争这个锁对象，情况发生变化了，不再是偏向（独占）锁了，锁会升级为轻量级锁，两个线程公平竞争，哪个线程先占有锁对象并执行代码，锁对象的Mark Word就执行哪个线程的栈帧中的锁记录。如下图第三种情形。

        4.如果竞争的这个锁对象的线程更多，导致了更多的切换和等待，JVM会把该锁对象的锁升级为重量级锁，这个就叫做同步锁，这个锁对象Mark Word再次发生变化，会指向一个监视器对象，这个监视器对象用集合的形式，来登记和管理排队的线程。如下图第四种情形。

        如果线程竞争锁以图的方式来单独描述的话，锁对象处于5种状态下的Mark Word分别表现如下：

 

二、Klass Word（类指针）

这一部分用于存储对象的类型指针，该指针指向它的类元数据，JVM通过这个指针确定对象是哪个类的实例。该指针的位长度为JVM的一个字大小，即32位的JVM为32位，64位的JVM为64位。

如果应用的对象过多，使用64位的指针将浪费大量内存，统计而言，64位的JVM将会比32位的JVM多耗费50%的内存。为了节约内存可以使用选项+UseCompressedOops开启指针压缩，其中，oop即ordinary object pointer普通对象指针。开启该选项后，下列指针将压缩至32位：

1. 每个Class的属性指针（即静态变量）
2. 每个对象的属性指针（即对象变量）
3. 普通对象数组的每个元素指针

当然，也不是所有的指针都会压缩，一些特殊类型的指针JVM不会优化，比如指向PermGen的Class对象指针(JDK8中指向元空间的Class对象指针)、本地变量、堆栈元素、入参、返回值和NULL指针等。

 

三、数组长度

如果对象是一个数组，那么对象头还需要有额外的空间用于存储数组的长度，这部分数据的长度也随着JVM架构的不同而不同：32位的JVM上，长度为32位；64位JVM则为64位。64位JVM如果开启+UseCompressedOops选项，该区域长度也将由64位压缩至32位。

by@六吨代码