Java 对象头分析与使用(Synchronized相关)

前言

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从上篇文章我们了解到:synchronized修饰代码块/修饰方法,最终都是在对象头上做文章,因此对象头是深入理解synchronized 各种锁变化的基础。接下来就来深入分析对象头在synchronized里的作用。
通过本篇文章,你将了解到:

1、对象在内存的构成
2、对象头的构成
3、对象头源码实现
4、调试查看对象头

1、对象在内存的构成

先看一个简单的类:

    class Student {
        int age;
        String name;
    }
    
    //实例化对象
    Student student = new Student();

我们知道,new 出来的对象放在堆里,而对象在堆里的结构如下:


image.png

分为三个部分:对象头、实例数据(age/name)、填充字节。

2、对象头的构成

对象头的划分

而对象头各区域如下:


image.png

只有数组对象才会有数组长度部分,接下来以普通对象为例说明。

Klass Word 指向对象所属类的元数据。

对象头的大小

以64位机器为例,对象头大小如下:


image.png

可以看出,普通对象的对象头大小为:128bits,Mark Word、Klass Word分别占据64bits。

Mark Word 构成

32位机器和64位机器有差别,以64位为例,将Mark Word 各个区域构成整理如下:


image.png

如上图所示,Mark Word 可以表示五种状态,同一时刻只能表示一种状态。如何确定Mark Word处于何种状态呢?
Mark Word 内容区域里不同的bit(位)存储不一样的信息,可以看到五种状态有一个共同的信息:lock。
lock 占2bits,可以表示四种状态:


image.png

lock可以表示四种状态,而Mark Word有五种状态,无锁和偏向锁lock取值是相同的,又如何来区分两者呢?可以看到两者有共同的信息位:biased_lock。
biased_lock 占1bit,可以区分两种状态:

1------>表示是偏向锁
0------>表示不是偏向锁

因此结合lock与biased_lock(共3个bit) 可以表示五种状态:


image.png

1、Mark Word 结构并不像常见的Java 对象拥有不同的成员变量,而是通过细化到bit来表示具体的值。
2、得益于第一点设计,Mark Word 可以在有限的空间内灵活的表示五种状态,节约了内存。

3、对象头源码实现

Mark Word 定义

弄清楚了Mark Word构成,来看看如何通过代码来表示状态并进行状态切换。
之前提到过,本系列并发文章源码基于jdk1.8,源码网址:
http://hg.openjdk.java.net/

查找到markOop.hpp文件:

image.png

markOopDesc提供了value()函数,该函数里返回了自身(指向该对象的指针),并强转为uintptr_t类型。
先看看uintptr_t:


image.png

64位的机器,uintprt_t表示8字节的无符号整形。
再看看markOopDesc的父类oopDesc:
在oop.hpp文件里:


image.png

该类里包含了:Mark Word和Klass Word(联合体),重点来看看markOop类型:
在oopsHierarchy.hpp文件里。


image.png

可以看出markOop其实就是markOopDesc 指针,就是说markOopDesc里的value()函数最终返回的就是markOop,也就是64bits的Mark Word(无符号整形)。

Mark Word 状态判断

既然拿到了Mark Word的内存值(64bits无符号整形),接下来就对该值做文章,比如如何判断该Mark Word是否处在无锁状态呢?
继续回到markOopDesc类,该类里提供了很多函数,以判断是否是无锁状态为例:


image.png

再来看看mask_bits,它是个内联函数:


image.png

可以看出,实际上就是将两个参数做"按位与"运算。
再回过头来看看mark_bits的参数,第一个参数就是value()返回的markOop,第二个参数隐藏比较深就不贴图了,此处直接说结论:biased_lock_mask_in_place = 0x111(7),而unlocked_value定义如下:


image.png

可以看到定义的枚举值和我们之前提到的Mark Word五种状态值一致。
最后判断是否是无锁状态简化如下:

markOop & 0x111(7) == 1 表达式为真即表示Mark Word处在无锁状态
实际上就是取出Mark Word对应的位进行判断

其它函数与上述函数类似。

4、调试查看对象头

JOL简单使用

源码是枯燥的,大多时候仅仅是帮助我们理解其原理。有时候并不需要了解其细节,只想知道结果。那么有没有方法知道当前对象头的值呢?如此就可以通过值判断属于哪种状态。
JOL(Java Object Layout) Java 对象布局,通过这个工具可以查看对象的信息:如对象头、实例内容、填充数据等。
在Android Studio里引用该工具:

1、在 https://repo.maven.apache.org/maven2/org/openjdk/jol/jol-cli/0.9/ 下载jol-cli-0.9-full.jar
2、在Android Studio里引用该jar
3、如果是Java环境的话,通过Maven引用

导入jol包后,来看看简单的使用过程:

public class TestDemo {
    public static void main(String args[]) {
        Object object = new Object();
        //打印虚拟机的信息
        System.out.println(VM.current().details());
        //打印对象大小
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).instanceSize());
        //打印对象头大小
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).headerSize());
        //打印对象信息
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
    }
}

结果如下:


image.png

声明的object对象为空对象,因此对象里没有实例数据。
你也许发现了Klass Word 为32bits,说好的占用64bits呢?原因是Java VM默认开启了指针压缩。
关闭指针压缩:


image.png

Android Studio->Edit Configurations 编辑VM参数:

-XX:-UseCompressedOops

再运行结果如下:


image.png

可以看出Klass Word占用了8字节,并且因为本身已经对齐了,所以不需要填充对齐数据。

Mark Word状态查询

无锁

说到这了还是没提到怎么看锁状态,接下来看看。
上面的例子里object没有上锁,因此应该是无锁状态,重点是找Mark Word对应的位,上面提到过3bits确定Mark Word状态:


image.png

从这三3bits看,取值001,对应上述的表格可知为无锁状态。

轻量级锁

public class TestDemo {
    public static void main(String args[]) {
        Object object = new Object();
        //打印对象信息
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        synchronized (object) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        }
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
    }
}

结果如下:


image.png

上锁前后都是无锁状态,上了锁后是轻量级锁

偏向锁

说好的无锁->偏向锁->轻量级锁的演变过程呢,怎么直接就到了轻量级锁状态?
JVM 启动的时候没有立即开启偏向锁,而是延迟开启。原因猜测是刚开始竞争很激烈,偏向锁撤销会增加系统负担。
延迟时间是4s,在globals.hpp里可以找到:


image.png

既然知道了原因,那么在代码里延迟对象的创建。

public class TestDemo {
    public static void main(String args[]) {
        try {
            Thread.sleep(4500);
        } catch (Exception e) {

        }
        Object object = new Object();
        //打印对象信息
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        synchronized (object) {
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
        }
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
    }
}

注意:此处对象创建需要放在延迟生效的后面,因为偏向锁启用后对已生成的对象没有影响。
结果如下:

image.png

可以看出,偏向锁一旦开启了,默认就是偏向锁。
当然如果不想每次都等几秒钟才出结果,可以设置VM参数,添加如下参数:

-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

用以禁用偏向锁延迟生效。
此处你可能会有疑惑:

退出临界区后,怎么还是偏向锁?

该问题在下篇源码分析时候会分析。

重量级锁

public class TestDemo {
    static Object object = new Object();
    public static void main(String args[]) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("before get lock in Thread1");
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
                synchronized (object) {
                    System.out.println("after get lock in Thread1");
                    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
                    new Thread(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            System.out.println("before get lock in Thread2");
                            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
                            synchronized (object) {
                                System.out.println("after get lock in Thread2");
                                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
                            }

                        }
                    }, "t2").start();

                    sleep(5000);
                }
            }
        }, "t1").start();
    }
}

以上开启了两个线程t1、t2,在它们获取锁前后打印对象。t1先执行,然后开启t2,t1睡眠5s。
分几个步骤分析:
t1未获取锁之前:

image.png

t1获取锁之后:

image.png

t2获取锁之前:

image.png

t2获取锁之后:

image.png

t2尝试获取锁时发现锁被其它线程占用(t1),尝试几次还是无法获取锁,就由轻量级锁膨胀为重量级锁,挂起自己。

至此,Java 对象头简单分析完毕。
无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁源码下篇分析。

参考:
jdk1.8
https://www.cnblogs.com/lusaisai/p/12748869.html
https://cloud.tencent.com/developer/article/1658707

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