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,以下我们使用64位JDK示例
1.对象布局的总体结构
2.获取一个对象布局实例
1.首先在maven项目中 引入查看对象布局的神器
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.9</version>
</dependency>
2.调用ClassLayout.parseInstance().toPrintable()
public class Main{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
L l = new L(); //new 一个对象
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(l).toPrintable());//输出 l对象 的布局
}
}
//对象类
class L{
private boolean myboolean = true;
}
运行后输出:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 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) f0 e4 2c 11 (11110000 11100100 00101100 00010001) (288154864)
12 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
16 1 boolean L.myboolean true
17 7 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 7 bytes external = 7 bytes total
对象头所占用的内存大小为16*8bit=128bit。如果大家自己动手去打印输出，可能得到的结果是96bit，这是因为我关闭了指针压缩。jdk8版本是默认开启指针压缩的，可以通过配置vm参数关闭指针压缩。关于更多压缩指针访问JAVA文档:官网
关闭指针压缩 -XX:-UseCompressedOops
开启指针压缩之后，再看对象的内存布局:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 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) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 1 boolean L.myboolean true
13 3 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total
- 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；
开启指针压缩可以减少对象的内存使用。因此，开启指针压缩，理论上来讲，大约能节省百分之五十的内存。
jdk8及以后版本已经默认开启指针压缩，无需配置。
普通的对象获取到的对象头结构为:
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (128 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (64 bits) | Klass pointer (64 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
普通对象压缩后获取结构:
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (96 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (64 bits) | Klass pointer (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
数组对象获取到的对象头结构为:
|---------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header (128 bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
| Mark Word(64bits) | Klass pointer(32bits) | array length(32bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 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) 6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
12 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5)
16 20 int [I.<elements> N/A
36 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 40 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
3.对象头的组成
我们先了解一下，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:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 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 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 1 boolean L.myboolean true // Instance Data 对象实际的数据
13 3 (loss due to the next object alignment) //Padding 对齐填充数据
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 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
};
通过内存信息分析锁状态
写一个synchronized加锁的demo分析锁状态 接着，我们再看一下，使用synchronized加锁情况下对象的内存信息，通过对象头分析锁状态。
代码:
public class Main{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
L l = new L();
Runnable RUNNABLE = () -> {
while (!Thread.interrupted()) {
synchronized (l) {
String SPLITE_STR = "===========================================";
System.out.println(SPLITE_STR);
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(l).toPrintable());
System.out.println(SPLITE_STR);
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new Thread(RUNNABLE).start();
}
}
}
class L{
private boolean myboolean = true;
}
输出:
===========================================
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 5a 97 02 c1 (01011010 10010111 00000010 11000001) (-1056794790)
4 4 (object header) d7 7f 00 00 (11010111 01111111 00000000 00000000) (32727)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 1 boolean L.myboolean true
13 3 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total
===========================================
Mark Word为0X00007FD7C102975A 对应的2进制为: 0xb00000000 00000000 01111111 11010111 11000001 00000010 10010111 01011010 我们可以看到在第一行object header中 value=5a 对应的2进制为01011010 倒数第三位 为0表示不是偏量锁,后两位为10表示为重量锁
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
};
例子2:
public class Main{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
L l = new L();
synchronized (l) {
Thread.sleep(1000);
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(l).toPrintable());
Thread.sleep(1000);
} //轻量锁
}
}
class L{
private boolean myboolean = true;
}
输出:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) f0 18 58 00 (11110000 00011000 01011000 00000000) (5773552)
4 4 (object header) 00 70 00 00 (00000000 01110000 00000000 00000000) (28672)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 1 boolean L.myboolean true
13 3 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 3 bytes external = 3 bytes total
对应的mark word为0x00007000005818f0 对应的2进制为0xb00000000 00000000 01110000 00000000 00000000 01011000 00011000 11110000 根据末尾倒数第三位为0 表示不是偏量锁 倒数后2位为00 表示这是一个轻量锁
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
};
你可能会有疑问mark word = 0x00007000005818f0是怎么算出来的, 根据前64位的value倒序排列拼成的串就是mark word 例子:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) f0 18 58 00 (11110000 00011000 01011000 00000000) (5773552)
4 4 (object header) 00 70 00 00 (00000000 01110000 00000000 00000000) (28672)
8 4 (object header) 43 c1 00 f8 (01000011 11000001 00000000 11111000) (-134168253)
12 1 boolean L.myboolean true
13 3 (loss due to the next object alignment)
Mark word 串为 前64位倒序排列为:00000000 00000000 01110000 00000000 00000000 01011000 00011000 11110000 转换为16进制为 00007000005818f0
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。
2.1 使用句柄访问
会在堆中开辟一块内存作为句柄池，句柄中储存了对象实例数据（属性值结构体）的内存地址，访问类型数据的内存地址（类信息，方法类型信息），对象实例数据一般也在heap中开辟，类型数据一般储存在方法区中。
优点：reference存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要改变。 缺点：增加了一次指针定位的时间开销。 
2.2 使用指针访问
指针访问方式指reference中直接储存对象在heap中的内存地址，但对应的类型数据访问地址需要在实例中存储。
优点：节省了一次指针定位的开销。 缺点：在对象被移动时(如进行GC后的内存重新排列)，reference本身需要被修改。
总结:
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，就不特别介绍了
4.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。
总结:本章节主要介绍了对象布局包含对象头,对象实例数据,和对齐数据.并且介绍了对象头中包含的信息和解析方法 更多内容请持续关注公众号:java宝典
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