Java对象头

JVM中对象头的结构有以下两种(以32位JVM为例):
普通对象的对象头结构

数组对象的对象头结构

其中Mark Word结构

64位虚拟机 Mark Word的结构

Mark Word这部分主要用来存储对象自身的运行时数据，如hashcode、gc分代年龄、锁状态标记位等。mark word的位长度为JVM的一个Word大小，也就是说32位JVM的Mark word为32位，64位JVM为64位。
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：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。
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：25位的对象标识Hash码，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。当对象被锁定时，该值会移动到管程Monitor中。
thread：持有偏向锁的线程ID。
epoch：偏向时间戳。
ptr_to_lock_record：指向栈中锁记录的指针。
ptr_to_heavyweight_monitor：指向管程Monitor的指针。

Monitor

Monitor被翻译为监视器或管程。
每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级锁）之后，该对象头中的Mark Word就被设置为指向Monitor对象的指针。

Owner：用于记录当前Monitor的所属线程
EntryList：是一个链表结构，用于记录阻塞在当前锁对象上的线程
当对象锁发生锁竞争时，在同一时刻只有一个线程能够获取到锁，其他线程会进入阻塞（BLOCKED）状态，此时这些被阻塞的线程就会进入EntryList中等待锁持有者释放锁后被唤醒，再次参与锁竞争（非公平）。当Thread-2持有锁时，Thread-3、Thread-4等均无法获取锁从而进入阻塞队列，等待Thread-2执行完同步代码块之后通知阻塞队列中等待的线程重新竞争锁，竞争成功的线程成为锁拥有者，失败的线程继续在阻塞队列中阻塞。
WaitSet：用于记录获取锁之后进入Waiting状态的线程
当对象获取到锁之后，由于某些资源并未准备完成，需要等待其他线程去准备资源，此时线程会通过wait()/notify()等方法进入等待/通知模式，在这种情况下线程释放锁之后会进入WaitSet，当其他线程准备好资源之后会通知WaitSet中等待的线程，WaitSet中的线程会进入到EntryList中，重新参与锁竞争。
注意：
● synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果
● 不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

synchronized的作用

synchronized 通过当前线程持有对象锁，从而拥有访问权限，而其他没有持有当前对象锁的线程无法拥有访问权限，保证在同一时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块，从而保证线程安全。synchronized 可以保证线程的可见性，synchronized 属于隐式锁，锁的持有与释放都是隐式的，我们无需干预。synchronized最主要的三种应用方式：
● 修饰实例方法：作用于当前实例加锁，进入同步代码前要获得当前实例的锁
● 修饰静态方法：作用于当前类对象加锁，进入同步代码前要获得当前类对象的锁
● 修饰代码块：指定加锁对象，进入同步代码库前要获得给定对象的锁

synchronized的可重入性

可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么因为它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁。
如果是不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住。

JVM对synchronized锁的优化

锁的状态总共有四种：无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争，锁可以从偏向锁升级到轻量级锁，再升级的重量级锁，但是锁的升级是单向的，只能从低到高升级，不会出现锁的降级。重量级锁基于从操作系统的互斥量实现的，而偏向锁与轻量级锁不同，他们是通过CAS并配合Mark Word一起实现的。

轻量级锁

如果一个对象虽然有多个线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。
假如有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {synchronized( obj ) {// 同步块 Amethod2();}
}
public static void method2() {synchronized( obj ) {// 同步块 B}
}

在栈中创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的 Mark Word 。
让锁记录中Object reference指向锁对象，并尝试用cas操作替换Object的Mark Word，将Mark Word的值存入Lock Record锁记录。
如果cas操作替换成功，对象头Mark Word中存储了锁记录地址和锁状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下

如果cas操作失败，有两种情况：
● 如果是其它线程已经持有了该Object的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程升级为重量级锁
● 如果是自己执行了synchronized锁重入，那么再添加一条Lock Record作为重入的计数，并指向锁对象
当退出synchronized代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头
● 成功，则解锁成功
● 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。
Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。
适用于连续多次都是同一个线程申请相同的锁的场景。偏向锁只有初始化的时候需要一次CAS操作，但如果出现其他线程竞争锁资源，那么偏向锁就会被撤销，并升级为轻量级锁。

偏向状态

● 一个对象创建时：如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，MarkWord值的最后3位为101，这时它的 thread、epoch、age 都为 0
● 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数 - XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟
● 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值的最后3位为 001，这时它的 hashcode、 age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值

偏向锁的废除

在 JDK6 中引入的偏向锁能够减少竞争锁定的开销，使得 JVM 的性能得到了显著改善，但是 JDK15 却将决定将偏向锁禁用，并在以后删除它，这是为什么呢？主要有以下几个原因：
● 为了支持偏向锁使得代码复杂度大幅度提升，并且对 HotSpot 的其他组件产生了影响，这种复杂性已成为理解代码的障碍，也阻碍了对同步系统进行重构
● 在更高的 JDK 版本中针对多线程场景推出了性能更高的并发数据结构，所以过去看到的性能提升，在现在看来已经不那么明显了。
● 围绕线程池队列和工作线程构建的应用程序，性能通常在禁用偏向锁的情况下变得更好。

锁自旋

在轻量级锁升级成为重量级锁之前，虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环，在经过若干次循环后，如果得到锁（即这个时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
自旋重试成功的情况

自旋重试失败的情况

自旋会占用 CPU 时间，单核CPU自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

当Thread-1进行轻量级加锁时，Thread-0已经对该对象加了轻量级锁
这时Thread-1加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
● 即为Object对象申请Monitor锁，让Object锁对象的Mark Word指向Monitor对象
● Monitor的Owner记录Thread-0线程
● 然后自己（Thread-1线程）进入Monitor的EntryList阻塞队列中
当Thread-0退出同步块解锁时，使用cas操作将Mark Word的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor地址找到Monitor对象，设置Owner为 null，唤醒EntryList中BLOCKED线程

重量级锁

适用于多个线程同时执行同步代码块的场景，且锁竞争时间长。在这个状态下，未抢到锁的线程都会进入到 Monitor 中并阻塞在EntryList中。

锁消除

消除锁属于编译器对锁的优化，JIT 编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译，又称即时编译)会使用逃逸分析技术，通过对运行上下文的扫描，去除不可能存在共享资源竞争的锁，通过这种方式消除没有必要的锁，可以节省毫无意义的请求锁时间。

锁粗化

JIT 编译器动态编译时，如果发现几个相邻的同步块使用的是同一个锁实例，那么 JIT 编译器将会把这几个同步块合并为一个大的同步块，从而避免一个线程“反复申请、释放同一个锁“所带来的性能开销。

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