关于锁升级可参看
偏向锁、轻量级锁、重量级锁

Java 对象头

我们都知道,Java对象存储在堆(Heap)内存。那么一个Java对象到底包含什么呢?概括起来分为对象头、对象体和对齐字节。如下图所示:

Java对象物理结构、MarkWord与锁的关系、Monitor - 图1

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 Word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.对象体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(不一定准确)。为了提高存取效率

了解了对象的总体结构,接下来深入地了解对象头的三个部分。

一、Mark Word(标记字)

Java对象物理结构、MarkWord与锁的关系、Monitor - 图2

以上是Java对象处于5种不同状态时,Mark Word中64个位的表现形式,上面每一行代表对象处于某种状态时的样子。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。biased_lock和lock一起,表达的锁状态含义如下:

Java对象物理结构、MarkWord与锁的关系、Monitor - 图3

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。

Java对象物理结构、MarkWord与锁的关系、Monitor - 图4

二、Klass Word(类指针)

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。

三、数组长度

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。

Monitor监视器

每一个对象都有一个monitor与之关联,当且一个monitor被持有后,它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter 指令时,将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权,即尝试获得对象的锁。

一、Java对象头

Java对象物理结构、MarkWord与锁的关系、Monitor - 图5

这里重点关注对象头中的Mark Word。

MarkWord里默认数据是存储对象的HashCode等信息,但是在运行期间,Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

Java对象物理结构、MarkWord与锁的关系、Monitor - 图6

重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁,锁标识位为10,其中指针指向的是monitor对象(也称为管程或监视器锁)的起始地址。

二、Monitor

monitor在JVM中是基于C++的实现的,ObjectMonitor中有几个关键属性:

_owner:指向持有ObjectMonitor对象的线程 _WaitSet:存放处于wait状态的线程队列 _EntryList:存放处于等待锁block状态的线程队列 _recursions:锁的重入次数 _count:用来记录该线程获取锁的次数

Java对象物理结构、MarkWord与锁的关系、Monitor - 图7

当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入_EntryList队列中,当某个线程获取到对象的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。即获得锁。
    若持有monitor的线程调用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_WaitSet集合中等待唤醒。
    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)

notify 方法: 从等待队列中唤醒任意一个线程,使该线程退出等待队列,进入可运行状态,也就是notify()方法仅通知一个线程。 notifyAll 方法: 使所有正在等待队列中线程退出等待队列,进入就绪状态。 wait 方法: 阻塞