前言
線程并發(fā)系列文章：
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Java “優(yōu)雅”地中斷線程-實(shí)踐篇
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真正理解Java Volatile的妙用
Java ThreadLocal你之前了解的可能有誤
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Java 并發(fā)"鎖"的本質(zhì)(一步步實(shí)現(xiàn)鎖)
Java Synchronized實(shí)現(xiàn)互斥之應(yīng)用與源碼初探
Java 對(duì)象頭分析與使用(Synchronized相關(guān))
Java Synchronized 偏向鎖/輕量級(jí)鎖/重量級(jí)鎖的演變過程
Java Synchronized 重量級(jí)鎖原理深入剖析上(互斥篇)
Java Synchronized 重量級(jí)鎖原理深入剖析下(同步篇)
Java并發(fā)之 AQS 深入解析(上)
Java并發(fā)之 AQS 深入解析(下)
Java Thread.sleep/Thread.join/Thread.yield/Object.wait/Condition.await 詳解
Java 并發(fā)之 ReentrantLock 深入分析(與Synchronized區(qū)別)
Java 并發(fā)之 ReentrantReadWriteLock 深入分析
Java Semaphore/CountDownLatch/CyclicBarrier 深入解析(原理篇)
Java Semaphore/CountDownLatch/CyclicBarrier 深入解析(應(yīng)用篇)
最詳細(xì)的圖文解析Java各種鎖(終極篇)
線程池必懂系列
從上篇文章我們了解到：synchronized修飾代碼塊/修飾方法，最終都是在對(duì)象頭上做文章，因此對(duì)象頭是深入理解synchronized 各種鎖變化的基礎(chǔ)。接下來就來深入分析對(duì)象頭在synchronized里的作用。
通過本篇文章，你將了解到：
1、對(duì)象在內(nèi)存的構(gòu)成
2、對(duì)象頭的構(gòu)成
3、對(duì)象頭源碼實(shí)現(xiàn)
4、調(diào)試查看對(duì)象頭
1、對(duì)象在內(nèi)存的構(gòu)成
先看一個(gè)簡(jiǎn)單的類：
class Student {
int age;
String name;
}
//實(shí)例化對(duì)象
Student student = new Student();
我們知道，new 出來的對(duì)象放在堆里，而對(duì)象在堆里的結(jié)構(gòu)如下：
分為三個(gè)部分：對(duì)象頭、實(shí)例數(shù)據(jù)（age/name)、填充字節(jié)。
2、對(duì)象頭的構(gòu)成
對(duì)象頭的劃分
而對(duì)象頭各區(qū)域如下：
只有數(shù)組對(duì)象才會(huì)有數(shù)組長(zhǎng)度部分，接下來以普通對(duì)象為例說明。
Klass Word 指向?qū)ο笏鶎兕惖脑獢?shù)據(jù)。
對(duì)象頭的大小
以64位機(jī)器為例，對(duì)象頭大小如下：
可以看出，普通對(duì)象的對(duì)象頭大小為：128bits，Mark Word、Klass Word分別占據(jù)64bits。
Mark Word 構(gòu)成
32位機(jī)器和64位機(jī)器有差別，以64位為例，將Mark Word 各個(gè)區(qū)域構(gòu)成整理如下：
如上圖所示，Mark Word 可以表示五種狀態(tài)，同一時(shí)刻只能表示一種狀態(tài)。如何確定Mark Word處于何種狀態(tài)呢？
Mark Word 內(nèi)容區(qū)域里不同的bit(位)存儲(chǔ)不一樣的信息，可以看到五種狀態(tài)有一個(gè)共同的信息：lock。
lock 占2bits，可以表示四種狀態(tài)：
lock可以表示四種狀態(tài)，而Mark Word有五種狀態(tài)，無鎖和偏向鎖lock取值是相同的，又如何來區(qū)分兩者呢？可以看到兩者有共同的信息位：biased_lock。
biased_lock 占1bit，可以區(qū)分兩種狀態(tài)：
1------>表示是偏向鎖
0------>表示不是偏向鎖
因此結(jié)合lock與biased_lock（共3個(gè)bit) 可以表示五種狀態(tài)：
1、Mark Word 結(jié)構(gòu)并不像常見的Java 對(duì)象擁有不同的成員變量，而是通過細(xì)化到bit來表示具體的值。
2、得益于第一點(diǎn)設(shè)計(jì)，Mark Word 可以在有限的空間內(nèi)靈活的表示五種狀態(tài)，節(jié)約了內(nèi)存。
3、對(duì)象頭源碼實(shí)現(xiàn)
Mark Word 定義
弄清楚了Mark Word構(gòu)成，來看看如何通過代碼來表示狀態(tài)并進(jìn)行狀態(tài)切換。
之前提到過，本系列并發(fā)文章源碼基于jdk1.8，源碼網(wǎng)址：
http://hg.openjdk.java.net/
查找到markOop.hpp文件：
markOopDesc提供了value()函數(shù)，該函數(shù)里返回了自身(指向該對(duì)象的指針)，并強(qiáng)轉(zhuǎn)為uintptr_t類型。
先看看uintptr_t：
64位的機(jī)器，uintprt_t表示8字節(jié)的無符號(hào)整形。
再看看markOopDesc的父類oopDesc:
在oop.hpp文件里：
該類里包含了：Mark Word和Klass Word(聯(lián)合體)，重點(diǎn)來看看markOop類型：
在oopsHierarchy.hpp文件里。
可以看出markOop其實(shí)就是markOopDesc 指針，就是說markOopDesc里的value()函數(shù)最終返回的就是markOop，也就是64bits的Mark Word(無符號(hào)整形)。
Mark Word 狀態(tài)判斷
既然拿到了Mark Word的內(nèi)存值(64bits無符號(hào)整形)，接下來就對(duì)該值做文章，比如如何判斷該Mark Word是否處在無鎖狀態(tài)呢？
繼續(xù)回到markOopDesc類，該類里提供了很多函數(shù)，以判斷是否是無鎖狀態(tài)為例：
再來看看mask_bits，它是個(gè)內(nèi)聯(lián)函數(shù)：
可以看出，實(shí)際上就是將兩個(gè)參數(shù)做"按位與"運(yùn)算。
再回過頭來看看mark_bits的參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)就是value()返回的markOop，第二個(gè)參數(shù)隱藏比較深就不貼圖了，此處直接說結(jié)論：biased_lock_mask_in_place = 0x111(7)，而unlocked_value定義如下：
可以看到定義的枚舉值和我們之前提到的Mark Word五種狀態(tài)值一致。
最后判斷是否是無鎖狀態(tài)簡(jiǎn)化如下：
markOop & 0x111(7) == 1 表達(dá)式為真即表示Mark Word處在無鎖狀態(tài)
實(shí)際上就是取出Mark Word對(duì)應(yīng)的位進(jìn)行判斷
其它函數(shù)與上述函數(shù)類似。
4、調(diào)試查看對(duì)象頭
JOL簡(jiǎn)單使用
源碼是枯燥的，大多時(shí)候僅僅是幫助我們理解其原理。有時(shí)候并不需要了解其細(xì)節(jié)，只想知道結(jié)果。那么有沒有方法知道當(dāng)前對(duì)象頭的值呢？如此就可以通過值判斷屬于哪種狀態(tài)。
JOL(Java Object Layout) Java 對(duì)象布局，通過這個(gè)工具可以查看對(duì)象的信息：如對(duì)象頭、實(shí)例內(nèi)容、填充數(shù)據(jù)等。
在Android Studio里引用該工具：
1、在 https://repo.maven.apache.org/maven2/org/openjdk/jol/jol-cli/0.9/ 下載jol-cli-0.9-full.jar
2、在Android Studio里引用該jar
3、如果是Java環(huán)境的話，通過Maven引用
導(dǎo)入jol包后，來看看簡(jiǎn)單的使用過程：
public class TestDemo {
public static void main(String args[]) {
Object object = new Object();
//打印虛擬機(jī)的信息
System.out.println(VM.current().details());
//打印對(duì)象大小
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).instanceSize());
//打印對(duì)象頭大小
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).headerSize());
//打印對(duì)象信息
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
}
}
結(jié)果如下：
聲明的object對(duì)象為空對(duì)象，因此對(duì)象里沒有實(shí)例數(shù)據(jù)。
你也許發(fā)現(xiàn)了Klass Word 為32bits，說好的占用64bits呢？原因是Java VM默認(rèn)開啟了指針壓縮。
關(guān)閉指針壓縮：
Android Studio->Edit Configurations 編輯VM參數(shù)：
-XX:-UseCompressedOops
再運(yùn)行結(jié)果如下：
可以看出Klass Word占用了8字節(jié)，并且因?yàn)楸旧硪呀?jīng)對(duì)齊了，所以不需要填充對(duì)齊數(shù)據(jù)。
Mark Word狀態(tài)查詢
無鎖
說到這了還是沒提到怎么看鎖狀態(tài)，接下來看看。
上面的例子里object沒有上鎖，因此應(yīng)該是無鎖狀態(tài)，重點(diǎn)是找Mark Word對(duì)應(yīng)的位，上面提到過3bits確定Mark Word狀態(tài)：
從這三3bits看，取值001，對(duì)應(yīng)上述的表格可知為無鎖狀態(tài)。
輕量級(jí)鎖
public class TestDemo {
public static void main(String args[]) {
Object object = new Object();
//打印對(duì)象信息
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
synchronized (object) {
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
}
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
}
}
結(jié)果如下：
上鎖前后都是無鎖狀態(tài)，上了鎖后是輕量級(jí)鎖
偏向鎖
說好的無鎖->偏向鎖->輕量級(jí)鎖的演變過程呢，怎么直接就到了輕量級(jí)鎖狀態(tài)？
JVM 啟動(dòng)的時(shí)候沒有立即開啟偏向鎖，而是延遲開啟。原因猜測(cè)是剛開始競(jìng)爭(zhēng)很激烈，偏向鎖撤銷會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。
延遲時(shí)間是4s，在globals.hpp里可以找到：
既然知道了原因，那么在代碼里延遲對(duì)象的創(chuàng)建。
public class TestDemo {
public static void main(String args[]) {
try {
Thread.sleep(4500);
} catch (Exception e) {
}
Object object = new Object();
//打印對(duì)象信息
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
synchronized (object) {
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
}
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
}
}
注意：此處對(duì)象創(chuàng)建需要放在延遲生效的后面，因?yàn)槠蜴i啟用后對(duì)已生成的對(duì)象沒有影響。
結(jié)果如下：
可以看出，偏向鎖一旦開啟了，默認(rèn)就是偏向鎖。
當(dāng)然如果不想每次都等幾秒鐘才出結(jié)果，可以設(shè)置VM參數(shù)，添加如下參數(shù)：
-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
用以禁用偏向鎖延遲生效。
此處你可能會(huì)有疑惑：
退出臨界區(qū)后，怎么還是偏向鎖？
該問題在下篇源碼分析時(shí)候會(huì)分析。
重量級(jí)鎖
public class TestDemo {
static Object object = new Object();
public static void main(String args[]) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("before get lock in Thread1");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
synchronized (object) {
System.out.println("after get lock in Thread1");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("before get lock in Thread2");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
synchronized (object) {
System.out.println("after get lock in Thread2");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(object).toPrintable());
}
}
}, "t2").start();
sleep(5000);
}
}
}, "t1").start();
}
}
以上開啟了兩個(gè)線程t1、t2，在它們獲取鎖前后打印對(duì)象。t1先執(zhí)行，然后開啟t2，t1睡眠5s。
分幾個(gè)步驟分析：
t1未獲取鎖之前：
t1獲取鎖之后：
t2獲取鎖之前：
t2獲取鎖之后：
t2嘗試獲取鎖時(shí)發(fā)現(xiàn)鎖被其它線程占用(t1)，嘗試幾次還是無法獲取鎖，就由輕量級(jí)鎖膨脹為重量級(jí)鎖，掛起自己。
至此，Java 對(duì)象頭簡(jiǎn)單分析完畢。
無鎖、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖源碼下篇分析。
參考：
jdk1.8
https://www.cnblogs.com/lusaisai/p/12748869.html
https://cloud.tencent.com/developer/article/1658707
