Java对象结构与synchronized实现原理及MarkWord详解

本博客的本意不是技术分享
只是在学习过程中感觉需要复习的知识点记录整理下来
方便复习，以便面试的时候用
具体细节请阅读《深入理解Java虚拟机》
若本文对你有帮助那十分荣幸。

JAVA对象的总体结构

由于Java面向对象的思想，在JVM中需要大量存储对象，存储时为了实现一些额外的功能，需要在对象中添加一些标记字段用于增强对象功能。在学习并发编程知识synchronized时，我们总是难以理解其实现原理，因为偏向锁、轻量级锁、重量级锁都涉及到对象头，所以了解java对象头是我们深入了解synchronized的前提条件
堆内存中的java对象：

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 Pointer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.实例数据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

获取一个对象布局实例

1 创建一个maven项目，引入pom

<dependency><groupId>org.openjdk.jol</groupId><artifactId>jol-core</artifactId><version>0.9</version>
</dependency>

2 调用ClassLayout.parseInstance().toPrintable()


```java
@Test
void contextLoads() {L l = new L();  //new 一个对象System.out.println(ClassLayout.parseInstance(l).toPrintable());//输出 l对象 的布局
}

com.struggle.javaobject.L object internals:OFFSET  SIZE      TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4           (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)4     4           (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)8     4           (object header)                           fa bc 06 f8 (11111010 10111100 00000110 11111000) (-133776134)12     1   boolean L.myboolean                               true13     3           (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total

对象头所占用的内存大小为12*8bit=96bit。
OFFSET：偏移地址，单位字节；
SIZE：占用的内存大小，单位为字节；
TYPE DESCRIPTION：类型描述，其中object header为对象头；
VALUE：对应内存中当前存储的值；

对象头的组成

一个JAVA对象的存储结构。在Hotspot虚拟机中，对象在内存中的存储布局分为 3 块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）
在我们刚刚打印的结果中可以这样归类:

com.struggle.javaobject.L object internals:OFFSET  SIZE      TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4           (object header)    //markword             01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)4     4           (object header)    //markword             00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)8     4           (object header)   //klass pointer类元数据  fa bc 06 f8 (11111010 10111100 00000110 11111000) (-133776134)12     1   boolean L.myboolean       // Instance Data 对象实际的数据          true13     3           (loss due to the next object alignment) //Padding 对齐填充数据
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total

1.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。
为了让一个字大小存储更多的信息，JVM将字的最低两个位设置为标记位，不同标记位下的Mark Word示意如下：

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。通过倒数三位数（包含biased_lock）我们可以判断出锁的类型

enum {
locked_value = 0, // 0 00 轻量级锁
unlocked_value = 1,// 0 01 无锁
monitor_value = 2,// 0 10 重量级锁
marked_value = 3,// 0 11 gc标志
biased_lock_pattern = 5 // 1 01 偏向锁
};

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。

2.Klass Pointer
即对象指向它的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定是哪个类的实例。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针(通过句柄池访问)。

简单引申一下对象的访问方式，我们创建对象的目的就是为了使用它。所以我们的Java程序在运行时会通过虚拟机栈中本地变量表的reference数据来操作堆上对象。但是reference只是JVM中规范的一个指向对象的引用，那这个引用如何去定位到具体的对象呢？因此，不同的虚拟机可以实现不同的定位方式。主要有两种：句柄池和直接指针。

通过句柄池访问的话，对象的类型指针是不需要存在于对象头中的，但是目前大部分的虚拟机实现都是采用直接指针方式访问。此外如果对象为JAVA数组的话，那么在对象头中还会存在一部分数据来标识数组长度，否则JVM可以查看普通对象的元数据信息就可以知道其大小，看数组对象却不行。

3 对齐填充字节
因为JVM要求java的对象占的内存大小应该是8bit的倍数，所以后面有几个字节用于把对象的大小补齐至8bit的倍数。

JVM升级锁的过程

1，当没有被当成锁时，这就是一个普通的对象，Mark Word记录对象的HashCode，锁标志位是01，是否偏向锁那一位是0。

2，当对象被当做同步锁并有一个线程A抢到了锁时，锁标志位还是01，但是否偏向锁那一位改成1，前23bit记录抢到锁的线程id，表示进入偏向锁状态。

3，当线程A再次试图来获得锁时，JVM发现同步锁对象的标志位是01，是否偏向锁是1，也就是偏向状态，Mark Word中记录的线程id就是线程A自己的id，表示线程A已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码。

4，当线程B试图获得这个锁时，JVM发现同步锁处于偏向状态，但是Mark Word中的线程id记录的不是B，那么线程B会先用CAS操作试图获得锁，这里的获得锁操作是有可能成功的，因为线程A一般不会自动释放偏向锁。如果抢锁成功，就把Mark Word里的线程id改为线程B的id，代表线程B获得了这个偏向锁，可以执行同步锁代码。如果抢锁失败，则继续执行步骤5。

5，偏向锁状态抢锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。JVM会在当前线程的线程栈中开辟一块单独的空间，里面保存指向对象锁Mark Word的指针，同时在对象锁Mark Word中保存指向这片空间的指针。上述两个保存操作都是CAS操作，如果保存成功，代表线程抢到了同步锁，就把Mark Word中的锁标志位改成00，可以执行同步锁代码。如果保存失败，表示抢锁失败，竞争太激烈，继续执行步骤6。

6，轻量级锁抢锁失败，JVM会使用自旋锁，自旋锁不是一个锁状态，只是代表不断的重试，尝试抢锁。从JDK1.7开始，自旋锁默认启用，自旋次数由JVM决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码，如果失败则继续执行步骤7。

7，自旋锁重试之后如果抢锁依然失败，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位改为10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会被阻塞。

参考和复制了以下博客：
https://blog.csdn.net/srs1995/article/details/109351177
https://blog.csdn.net/scdn_cp/article/details/86491792#comments