深入理解Java的对象头mark word

上一篇博客我们编译了Linux源码来证明了Java中有偏向锁，但是我们从周志明大佬的《深入理解java虚拟机》的书中知道，我们可以通过分析Java对象头中MarkWord来查看是那种锁，下面是32位JVM的对象中的Mark Word图，但是随着JDK的不断升级，JDK没有32位的版本，所以我们要研究64的JVM中对象的MarkWord。当我在网上找了很多资料的后，发现都是32位JVM，无法满足我们

二狗家有矿

2061人浏览 · 2021-02-18 20:24:05

二狗家有矿 · 2021-02-18 20:24:05 发布

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当我在网上找了很多资料的后，发现都是32位JVM，无法满足我们对64位JVM的研究，于是我想到了JDK源码，看看其中有没有注释，于是我去编译好的JDK源码找找看，找到对应的源码的注释如下：

在这里插入图片描述
我们可以将上面的注释转成以下的表格

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|                                             Object Header(128bits)                                              |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|                                   Mark Word(64bits)               |  Klass Word(64bits)    |      State         |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| unused:25|identity_hashcode:31|unused:1|age:4|biase_lock:1|lock:2 | OOP to metadata object |      Nomal         |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| thread:54|      epoch:2       |unused:1|age:4|biase_lock:1|lock:2 | OOP to metadata object |      Biased        |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|                     ptr_to_lock_record:62                 |lock:2 | OOP to metadata object | Lightweight Locked |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|                    ptr_to_heavyweight_monitor:62          |lock:2 | OOP to metadata object | Heavyweight Locked |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|                                                           |lock:2 | OOP to metadata object |    Marked for GC   |
|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

从上面的表格，我们可以看出Java的对象头在对象的不同的状态下会有不同的表现形式，主要有三种状态，无锁状态，加锁状态，GC标记状态。那么就可以理解Java当中的上锁其实可以理解给对象上锁。也就是改变对象头的状态，如果上锁成功则进入同步代码块。但是Java当中的锁又分为很多种，从上图可以看出大体分为偏向锁、轻量锁、重量锁三种锁状态。这三种锁的效率是完全不同、关于效率的分析会在下文分析。我们需要查看对象头，就需要用到借助JOL工具。

首先我们在项目中引入JOL的依赖，具体如下图：

<dependency>
     <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
     <artifactId>jol-core</artifactId>
     <version>0.10</version>
</dependency>

然后创建A.java

public class A{}

然后创建JOLExample1.java

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;

import static java.lang.System.out;

public class JOLExample1 {
    static A a;

    public static void main(String[] args) {
        a = new A();
        //打印JVM的详细信息
        out.println(VM.current().details());
        //打印对应的对象头信息
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
    }
}

运行的结果如下
在这里插入图片描述

不是说Klass是64bits(8个字节)但是这儿只有4个字节，是因为我们开启了指针压缩，我们可以关闭指针压缩看看，是不是8个字节。我们只需要使用以下的JVM运行参数

-XX:-UseCompressedOops

在这里插入图片描述

再次运行刚才的程序,可以看到我们Klass对象是64bits（16个字节）,具体如下图

在这里插入图片描述

解决了上面的问题后，我们再回到原来开启指针压缩图上来

在这里插入图片描述

我们可以看到整个对象是16B（16个字节），其中对象头（object header）12B(12个字节)，还有4B是对齐的字节（因为在64位虚拟机上对象的大小必须是8的倍数），由于这个对象里面没有任何字段，故而对象的实例数据为0B，那怎么让它不是0B呢？我们可以在A中添加一个boolean类型的数据，再看结果，修改A.java如下所示

public class A {
    //占一个字节的boolean字段
    private boolean flag;
}

我们再次运行JOLExample.java，查看结果如下：

在这里插入图片描述

这个对象的大小还是没有改变一共16B，其中对象头(object header) 12B,boolean字段flag（对象的实例数据）占1B，剩下的3B就是对齐字节。由此我们可以认为一个对象的布局大体分为三个部分分别是对象头(Object header)、对象的实例数据、字节对齐。

上面说是64位虚拟机上对象的大小必须是8的倍数，我们可以证明一下，再加一个int（4个字节）数据，我们再次修改A.java如下所示

public class A {
    //占一个字节的boolean字段
    private boolean flag;
    //占四个字节的int字段
    private int a;
}

再次运行程序，如下所示，可以看到对象的大小是8的倍数

在这里插入图片描述

看完了对象的实例数据，我们就来到了今天的重头戏，Java的对象头（在开启JVM指针压缩的情况下是12B），那么这12B存储的是什么？我们可以看下
OpenJDK的官网的解释

首先引用openjdk文档当中对对象头的解释

在这里插入图片描述

上述引用中提到一个java对象头包含2个word，并且包含了堆对象的布局、类型、GC状态、同步状态和标识哈希码，具体怎么包含的呢？又是哪两个word呢？
在这里插入图片描述

Mark word为第一个word根据文档可以知道它里面包含了锁的信息、hashcode、gc信息等等，第二个word是什么呢？

在这里插入图片描述

klass word 为对象头的第二个word主要指向对象的元数据。

在这里插入图片描述

假设我们理解一个对象头主要由上图两个部分组成（数组对象除外，数组对象的对象还包含一个数组长度），由我们的推导出Mark word是8个字节，klass word(开启指针压缩的情况下是4个字节，不开启的时候是8个字节)。我们打印出来的对象头是12个字节，所以其中的8个字节是Mark word，剩下的4个字节是klass word，但是和锁相关的就是Mark word，那么接下来要重点分析Mark word里面信息。

由最开始的64位的表格，我们可以得知在无锁的情况下Markword当中前56bit存的是对象的hashcode，我们来验证一下

修改A.java 的代码如下

public class A {
    //占一个字节的boolean字段
    private boolean flag;
}

新建一个JOLExample2.java具体代码如下

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import static java.lang.System.out;
public class JOLExample2 {

    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        //没有计算HashCode之前的对象头
        out.println("before hash");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        
        //jvm计算HashCode
        out.println("jvm----------" + Integer.toHexString(a.hashCode()));
        
        //当计算完HashCode之后，我们可以查看对象头的信息变化
        out.println("after hash");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        
    }
}

运行的结果如下：

在这里插入图片描述

可以看到我们在没有进行hashcode运算的时候，所有的值都是空的。当我们计算完了hashcode，对象头就是有了数据。因为是小端存储，所以你看的值是倒过来的。前25bit没有使用所以都是0，后面31bit存的hashcode，所以第一个字节中八位存储的分别就是分代年龄、偏向锁信息、对象状态，这8bit分别表示的信息如下图所示，这个图会随着对象的状态改变而改变，下图是无锁的状态下

在这里插入图片描述

关于对象状态一共分为五种状态，分别是无锁、偏向锁、轻量锁、重量锁、GC标记，但是2bit只能表示4种状态（00,01,10,11）JVM的做法将偏向锁和无锁的状态表示为同一个状态，然后根据图中偏向锁的标识再去标识是无锁还是偏向锁状态。写个代码分析一下，在写代码之前我们先记得无锁状态下的信息是00000001，写个偏向锁的例子如下所示

新建一个JOLExample3.java,代码如下：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import static java.lang.System.out;

public class JOLExample3 {

    static A a;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        a = new A();
        out.println("before lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

        sync();

        out.println("after lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        
    }

    private static void sync() {
        synchronized (a) {
            out.println("我不知道要打印什么");
        }
    }
}

查看运行结果如下：

在这里插入图片描述

上面这个程序只有一个线程去调用sync方法，应该是偏向锁，但是你会发现输出的结果（第一个字节）依然是00000001和无锁的时候一模一样，其实这是因为虚拟机在启动的时候对于偏向锁有延迟，如果没有偏向锁的延迟的话，虚拟机在启动的时候，可能JVM某个线程调用你的线程，这样就有可能变成了轻量锁或者重量锁，所以要做偏向锁的延迟，那我们怎么看到打印的对象头是偏向锁呢？有两种方式：第一种是加锁之前先让线程睡几秒。第二种加上JVM的运行参数，关闭偏向锁的延迟，具体的命令如下：

-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

第一种方式：修改JOLExample3.java如下

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import static java.lang.System.out;

public class JOLExample3 {

    static A a;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //切记延迟一定要放在对象创建之前，不然是无效的，因为在你对象创建之前，偏向锁的延迟的时间
        //没有给你睡过去，这时候，对象已经创建了，对象头的信息已经生成了。
        Thread.sleep(5000);
        a = new A();
        out.println("before lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

        sync();

        out.println("after lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

    }

    private static void sync() {
        synchronized (a) {
            out.println("lock ing");
            out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        }
    }
}

再次运行，查看结果如下：

在这里插入图片描述

可以发现已经变成了00000101，偏向锁，需要注意的after lock，退出同步后依然保持了偏向信息。

第二种方式：利用jvm参数，首先我们先关闭睡眠5秒的，然后运行配置如下：

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再次运行查看结果如下：

在这里插入图片描述

这时候大家会有疑问了，为什么在没有加锁之前是偏向锁，准确的说，应该是叫可偏向的状态，因为它后面没有存线程的ID，当lock ing的时候，后面存储的就是线程的ID（44969989）既然这儿存储是线程的ID，那么HashCode又存储到什么地方去了？是不是计算了HashCode就是不能偏向了？我们来验证一下，计算完HashCode，还是不是偏向锁了

我们再次修改JOLExample3.java,具体代码如下：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import static java.lang.System.out;

public class JOLExample3 {

    static A a;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //切记延迟一定要放在对象创建之前，不然是无效的，因为在你对象创建之前，偏向锁的延迟的时间
        //没有给你睡过去，这时候，对象已经创建了，对象头的信息已经生成了。
        //Thread.sleep(5000);
        a = new A();
        out.println("before lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        a.hashCode();

        sync();

        out.println("after lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

    }

    private static void sync() {
        synchronized (a) {
            out.println("lock ing");
            out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        }
    }
}

同时关闭JVM中偏向锁的延迟，运行的结果如下：
在这里插入图片描述

我们可以发现：在before lock的时候是可偏向的状态，lock ing的时候变成了轻量锁，after lock 的时候变成了无锁，所以我们得出对象计算了HashCode，就不是偏向锁了。

看完了偏向锁的对象头，我们再来看看轻量锁的对象头，轻量级锁尝试在应用层面解决线程同步问题，而不触发操作系统的互斥操作，轻量级锁减少多线程进入互斥的几率，不能代替互斥。

创建JOLExample4.java，代码如下：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import static java.lang.System.out;

public class JOLExample4 {
    static A a;

    public static void main(String[] args) {
        a = new A();
        out.println("before lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

        sync();

        out.println("after lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
    }

    private static void sync() {
        synchronized (a) {
            out.println("lock ing");
            out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        }
    }
}

运行结果如下：

在这里插入图片描述

可以得出：before lock 的时候是 00000001 无锁的状态，lock ing 的时候是 01010000 轻量锁的状态，after lock 的时候是 00000001 无锁的状态。

看完了轻量锁的对象头，我们再来看看重量锁的对象头，我们先创建一个JOLExample5.java具体代码如下：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import static java.lang.System.out;

public class JOLExample5 {
    static A a;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        a = new A();
        out.println("before lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        
        Thread t1 = new Thread(()->{
            synchronized (a) {
                try {
                    Thread.sleep(5000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                out.println("t1 release");
            }
        });
        t1.start();
        
        Thread.sleep(1000);
        out.println("t1 lock ing");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        
        sync();
        out.println("after lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

        System.gc();
        out.println("after gc()");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
    }

    private static void sync() {
        synchronized (a) {
            out.println("main lock ing");
            out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        }
    }
}

运行结果如下：

在这里插入图片描述

在加锁之前（before lock）是 00000001 无锁，这时候t1来加锁，因为只有他一个线程所以轻量锁（t1 lock ing 00010000）由于t1在run方法中睡眠了5秒，这时候主线程也来尝试加锁，这个时候就是两个线程竞争了，所以是重量锁（main lock ing 00101010）
在这里插入图片描述

当结束的时候，还是重量锁（afteer lock 00101010）,当执行一次gc操作过后发现变成了无锁但是年龄加了1（after gc() 00001001）

还有一点需要我们注意的就是:当调用wait方法会直接变成重量锁，我们来验证一下，创建JOLExample6.java，代码如下：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import static java.lang.System.out;

public class JOLExample6 {
    static A a;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        a = new A();
        out.println("before lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                synchronized (a) {
                    out.println("before wait");
                    out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
                    a.wait();
                    out.println("after wait");
                    out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

        });
        t1.start();
        Thread.sleep(5000);
        synchronized (a) {
            a.notifyAll();
        }
    }
}

运行结果如下：

在这里插入图片描述

可以看到在加锁之前是无锁的状态，执行wait方法之前是轻量锁，执行wait 方法之后，被唤醒的后是重量锁。

既然synchronized关键字有这三种锁，我们简单的比较它们之间的性能（粗略的比较下），书写以下的代码

public class A {
    int i;
    public synchronized void parse() {
        i++;
    }
}

//关闭偏向锁延迟‐XX:BiasedLockingStartupDelay=0
public class JOLExample7 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        A a = new A();
        long start = System.currentTimeMillis();
        //调用同步方法1000000000L 来计算1000000000L的++，对比偏向锁和轻量级锁的性能
        //如果不出意外，结果灰常明显
        for (int i = 0; i < 1000000000L; i++) {
            a.parse();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(String.format("%sms", end - start));
    }

}

先运行加上jvm参数关闭偏向锁延迟，就是偏向锁，然后运行的结果如下：

在这里插入图片描述

我们在开启偏向锁延迟就是轻量锁，然后运行结果如下：

在这里插入图片描述

最后我们在看重量锁，具体代码如下：

public class A {
    int i;
    public synchronized void parse() {
        JOLExample8.countDownLatch.countDown();
        i++;
    }
}

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class JOLExample8 {
    static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000000000);

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final A a = new A();

        long start = System.currentTimeMillis();

        //调用同步方法1000000000L 来计算1000000000L的++，对比各种锁的性能
        //如果不出意外，结果灰常明显
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            new Thread(() -> {
                while (countDownLatch.getCount() > 0) {
                    a.parse();
                }
            }).start();
        }
        countDownLatch.await();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(String.format("%sms", end - start));
    }
}

重量级锁的执行结果如下：

在这里插入图片描述