Java对象头与monitor
一、Java对象的内存布局
在JVM中,对象在内存中的布局分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充,如下所示:
- 实例变量:存放类的属性数据信息,包括父类的属性信息,如果是数组的实例部分还包括数组的长度,这部分内存按4字节对齐。
- 填充数据:由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的,仅仅是为了字节对齐,这点了解即可。
而Java头对象则是实现synchronized的锁对象的基础。
二、对象头形式
JVM中对象头的方式有以下两种(以32位JVM为例)
2.1 普通对象
2.2 数组对象
三、对象头的组成
3.1 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。
- bias_lock:对象是否启动偏向锁标记,只占1个二进制位。为1时表示对象启动偏向锁,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monitor对象(也称为管程或监视器锁)的起始地址,每个对象都存在着一个monitor与之关联,对象与其monitor之间的关系有存在多种实现方式,如monitor对象可以与对象一起创建销毁或当前线程试图获取对象锁时自动生,但当一个monitor被某个线程持有后,它便处于锁定状态。
64位下的标记字与32位的相似:
3.2 class pointer
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:
- 每个Class的属性指针(即静态变量)
- 每个对象的属性指针(即对象变量)
- 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。
3.3 array length
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。
四、monitor介绍
在Java虚拟机(HotSpot)中,monitor是由ObjectMonitor实现的,其主要数据结构如下(位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件,C++实现的)
ObjectMonitor() {_header = NULL;_count = 0; //记录个数_waiters = 0,_recursions = 0;_object = NULL;_owner = NULL;_WaitSet = NULL; //处于wait状态的线程,会被加入到_WaitSet_WaitSetLock = 0 ;_Responsible = NULL ;_succ = NULL ;_cxq = NULL ;FreeNext = NULL ;_EntryList = NULL ; //处于等待锁block状态的线程,会被加入到该列表_SpinFreq = 0 ;_SpinClock = 0 ;OwnerIsThread = 0 ;}
ObjectMonitor中有两个队列,_WaitSet 和 _EntryList,用来保存ObjectWaiter对象列表( 每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象),_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程,当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入 _EntryList 集合,当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1,若线程调用 wait() 方法,将释放当前持有的monitor,owner变量恢复为null,count自减1,同时该线程进入 WaitSe t集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值,以便其他线程进入获取monitor(锁)。如下图所示:
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