詳解Java對象結(jié)構(gòu)與對象鎖的升級

更新時(shí)間：2022年03月02日 10:22:01 作者：小小茶花女

這篇文章主要為大家詳細(xì)介紹了Java對象結(jié)構(gòu)與對象鎖的升級，文中示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價(jià)值，感興趣的小伙伴們可以參考一下，希望能夠給你帶來幫助

1. Java對象結(jié)構(gòu)

Java對象結(jié)構(gòu)包括三部分：對象頭、對象體和填充字節(jié)，如圖所示：

在這里插入圖片描述

對象頭又包括三個(gè)字段：

第一個(gè)字段叫作Mark Word（標(biāo)記字），用于存儲自身運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)，例如GC標(biāo)志位、哈希碼、鎖狀態(tài)等信息。
第二個(gè)字段叫作Class Pointer（類對象指針），用于存放方法區(qū)Class對象的地址，虛擬機(jī)通過這個(gè)指針來確定這個(gè)對象是哪個(gè)類的實(shí)例。
第三個(gè)字段叫作Array Length（數(shù)組長度）。如果對象是一個(gè)Java數(shù)組，那么此字段必須有，用于記錄數(shù)組長度的數(shù)據(jù)；如果對象不是一個(gè)Java數(shù)組，那么此字段不存在，所以這是一個(gè)可選字段。

在32位JVM虛擬機(jī)中，Mark Word和Class Pointer這兩部分都是32位的；在64位JVM虛擬機(jī)中，Mark Word和Class Pointer這兩部分都是64位的。而我們需要重點(diǎn)理解的時(shí)mark word , 因?yàn)樗鷖ynchronized的底層原理有關(guān)。

2. Mark Word的結(jié)構(gòu)信息

Java內(nèi)置鎖的狀態(tài)總共有4種，級別由低到高依次為：無鎖、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖。其實(shí)在JDK 1.6之前，Java內(nèi)置鎖還是一個(gè)重量級鎖，是一個(gè)效率比較低下的鎖，在JDK 1.6之后，JVM為了提高鎖的獲取與釋放效率，對synchronized的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了優(yōu)化，引入了偏向鎖和輕量級鎖，從此以后Java內(nèi)置鎖的狀態(tài)就有了4種，并且4種狀態(tài)會(huì)隨著競爭的情況逐漸升級，而且是不可逆的過程，即不可降級，也就是說只能進(jìn)行鎖升級。

1、不同鎖狀態(tài)下的Mark Word字段結(jié)構(gòu)：

Mark Word字段的結(jié)構(gòu)與Java內(nèi)置鎖的狀態(tài)強(qiáng)相關(guān)。為了讓Mark Word字段存儲更多的信息，JVM將Mark Word最低兩個(gè)位設(shè)置為Java內(nèi)置鎖狀態(tài)位，不同鎖狀態(tài)下的32位Mark Word結(jié)構(gòu)如表所示：

在這里插入圖片描述

64位的Mark Word與32位的Mark Word結(jié)構(gòu)相似，結(jié)構(gòu)如表所示：

在這里插入圖片描述

2、64位Mark Word的介紹：

由于目前主流的JVM都是64位，因此我們使用64位的Mark Word。接下來對64位的Mark Word中各部分的內(nèi)容進(jìn)行具體介紹。

(1) lock：鎖狀態(tài)標(biāo)記位，占兩個(gè)二進(jìn)制位，由于希望用盡可能少的二進(jìn)制位表示盡可能多的信息，因此設(shè)置了lock標(biāo)記。該標(biāo)記的值不同，整個(gè)Mark Word表示的含義就不同。

(2) biased_lock：對象是否啟用偏向鎖標(biāo)記，只占1個(gè)二進(jìn)制位。為1時(shí)表示對象啟用偏向鎖，為0時(shí)表示對象沒有偏向鎖。lock和biased_lock兩個(gè)標(biāo)記位組合在一起共同表示Object實(shí)例處于什么樣的鎖狀態(tài)。二者組合的含義具體如表2-3所示。

lock和biased_lock兩個(gè)標(biāo)記位組合在一起共同表示Object實(shí)例處于什么樣的鎖狀態(tài)。二者組合的含義具體如表所示：

在這里插入圖片描述

(3) ptr_to_lock_record：占62位，在輕量級鎖的狀態(tài)下指向棧幀中鎖記錄的指針。

(4) ptr_to_heavyweight_monitor：占62位，在重量級鎖的狀態(tài)下指向?qū)ο蟊O(jiān)視器的指針。

3. 無鎖、偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖

在JDK 1.6版本之前，所有的Java內(nèi)置鎖都是重量級鎖。重量級鎖會(huì)造成CPU在用戶態(tài)和核心態(tài)之間頻繁切換，所以代價(jià)高、效率低。JDK 1.6版本為了減少獲得鎖和釋放鎖所帶來的性能消耗，引入了偏向鎖和輕量級鎖的實(shí)現(xiàn)。所以，在JDK 1.6版本中內(nèi)置鎖一共有4種狀態(tài)：無鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級鎖狀態(tài)和重量級鎖狀態(tài)，這些狀態(tài)隨著競爭情況逐漸升級。內(nèi)置鎖可以升級但不能降級，意味著偏向鎖升級成輕量級鎖后不能再降級成偏向鎖。這種能升級卻不能降級的策略，其目的是提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

(1) 無鎖狀態(tài) ：

Java對象剛創(chuàng)建時(shí)還沒有任何線程來競爭，說明該對象處于無鎖狀態(tài)（無線程競爭它），這時(shí)偏向鎖標(biāo)識位是0，鎖狀態(tài)是01；

(2) 偏向鎖狀態(tài)：

偏向鎖是指一段同步代碼一直被同一個(gè)線程所訪問，那么該線程會(huì)自動(dòng)獲取鎖，降低獲取鎖的代價(jià)。如果內(nèi)置鎖處于偏向狀態(tài)，當(dāng)有一個(gè)線程來競爭鎖時(shí)，先用偏向鎖，表示內(nèi)置鎖偏愛這個(gè)線程，這個(gè)線程要執(zhí)行該鎖關(guān)聯(lián)的同步代碼時(shí)，不需要再做任何檢查和切換。偏向鎖在競爭不激烈的情況下效率非常高。

偏向鎖狀態(tài)的Mark Word會(huì)記錄內(nèi)置鎖自己偏愛的線程ID，內(nèi)置鎖會(huì)將該線程當(dāng)作自己的熟人，這時(shí)偏向鎖標(biāo)識位是1，鎖狀態(tài)是01；

(3) 輕量級鎖狀態(tài)：

當(dāng)有兩個(gè)線程開始競爭這個(gè)鎖對象時(shí)，情況就發(fā)生變化了，不再是偏向（獨(dú)占）鎖了，鎖會(huì)升級為輕量級鎖，兩個(gè)線程公平競爭，哪個(gè)線程先占有鎖對象，鎖對象的Mark Word就指向哪個(gè)線程的棧幀中的鎖記錄。這時(shí)偏向鎖標(biāo)識位是0，鎖狀態(tài)是00；

當(dāng)鎖處于偏向鎖，又被另一個(gè)線程企圖搶占時(shí)，偏向鎖就會(huì)升級為輕量級鎖。企圖搶占的線程會(huì)通過自旋的形式嘗試獲取鎖，不會(huì)阻塞搶鎖線程，以便提高性能。

自旋原理非常簡單，如果持有鎖的線程能在很短時(shí)間內(nèi)釋放鎖資源，那么那些等待競爭鎖的線程就不需要進(jìn)行內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)之間的切換來進(jìn)入阻塞掛起狀態(tài)，它們只需要等一等（自旋），等持有鎖的線程釋放鎖后即可立即獲取鎖，這樣就避免了用戶線程和內(nèi)核切換的消耗。

但是，線程自旋是需要消耗CPU的，如果一直獲取不到鎖，那么線程也不能一直占用CPU自旋做無用功，所以需要設(shè)定一個(gè)自旋等待的最大時(shí)間。JVM對于自旋周期的選擇，JDK 1.6之后引入了適應(yīng)性自旋鎖，適應(yīng)性自旋鎖意味著自旋的時(shí)間不是固定的，而是由前一次在同一個(gè)鎖上的自旋時(shí)間以及鎖的擁有者的狀態(tài)來決定的。線程如果自旋成功了，下次自旋的次數(shù)就會(huì)更多，如果自旋失敗了，自旋的次數(shù)就會(huì)減少。

如果持有鎖的線程執(zhí)行的時(shí)間超過自旋等待的最大時(shí)間仍沒有釋放鎖，就會(huì)導(dǎo)致其他爭用鎖的線程在最大等待時(shí)間內(nèi)還是獲取不到鎖，自旋不會(huì)一直持續(xù)下去，這時(shí)爭用線程會(huì)停止自旋進(jìn)入阻塞狀態(tài)，該鎖膨脹為重量級鎖。

(4) 重量級鎖狀態(tài)：

重量級鎖會(huì)讓其他申請的線程之間進(jìn)入阻塞，性能降低。重量級鎖也叫同步鎖，這個(gè)鎖對象MarkWord再次發(fā)生變化，會(huì)指向一個(gè)監(jiān)視器對象，該監(jiān)視器對象用集合的形式來登記和管理排隊(duì)的線程。這時(shí)偏向鎖標(biāo)識位是0，鎖狀態(tài)是10；