Java对象结构详解【MarkWord 与锁的实现原理】
阅读原文时间:2023年07月08日阅读:2

Java对象存储在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对齐字节。如下图所示:
【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)。

Mark Word(标记字)

以上是 Java对象处于5种不同状态时,Mark Word中 64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:
【1】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_locklock一起,表达的锁状态含义如上图所示。
【2】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。lockbiased_lock共同表示对象处于什么锁状态
【3】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。
【4】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,因此该值会移动到线程 Monitor中。
【5】thread:持有偏向锁的线程ID。
【6】epoch:偏向锁的时间戳。
【7】ptr_to_lock_record:轻量级锁状态下,指向栈中锁记录的指针。
【8】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链接】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超过两个线程,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。

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。

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。