一、概述

研究java對(duì)象頭的目的是詳細(xì)分析Java的synchronized鎖的升級(jí)過程，因?yàn)閟ynchronized在鎖升級(jí)的時(shí)候，就是依賴對(duì)象頭的信息來決定的。本博文針對(duì)64位的操作系統(tǒng)來對(duì)Java對(duì)象頭進(jìn)行詳解。

二、詳細(xì)分析

1. 用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)

內(nèi)核態(tài)與用戶態(tài)是操作系統(tǒng)的兩種運(yùn)行級(jí)別,當(dāng)程序運(yùn)行在3級(jí)特權(quán)級(jí)上時(shí)， 就可以稱之為運(yùn)行在用戶態(tài)，因?yàn)檫@是最低特權(quán)級(jí)，是普通的用戶進(jìn)程運(yùn) 行的特權(quán)級(jí)，大部分用戶直接面對(duì)的程序都是運(yùn)行在用戶態(tài)；當(dāng)程序運(yùn)行在0級(jí)特權(quán)級(jí)上時(shí)，就可以稱之為運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)。運(yùn)行在用戶態(tài)下的程序不能直接訪問操作系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序。當(dāng)我們?cè)谙到y(tǒng)中執(zhí)行一個(gè)程序時(shí)，大部分時(shí)間是運(yùn)行在用戶態(tài)下的，在其需要操作系統(tǒng)幫助完成某些它沒有權(quán)力和能力完成的工作時(shí)就會(huì)切換到內(nèi)核態(tài)。

操作系統(tǒng)對(duì)于用戶態(tài)線程(也叫纖程)的管理是由系統(tǒng)內(nèi)核kernel來管理的。JVM中的線程與操作系統(tǒng)的原生線程對(duì)應(yīng)關(guān)系一般是1:1的關(guān)系。對(duì)應(yīng)關(guān)系除了1:1，也有m:1，也就是用戶態(tài)的m個(gè)線程只對(duì)應(yīng)內(nèi)核態(tài)中的1個(gè)線程；m:n的關(guān)系，出現(xiàn)在go語言的協(xié)程中。計(jì)算機(jī)上的程序包括JVM是運(yùn)行在計(jì)算機(jī)的用戶空間上，運(yùn)行在用戶空間上的程序的特點(diǎn)就是，在進(jìn)行一些敏感操作(比如網(wǎng)絡(luò)讀寫、讀寫硬盤、內(nèi)存映射等)的時(shí)候，需要通過工作在內(nèi)核空間的系統(tǒng)內(nèi)核kernel進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，這樣的目的是使得操作系統(tǒng)更加的健壯。

synchronized什么是重量級(jí)瑣？申請(qǐng)鎖資源的時(shí)候需要通過操作系統(tǒng)內(nèi)核kernel進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，這個(gè)調(diào)用過程將會(huì)由用戶空間切換到內(nèi)核空間，就是重量級(jí)瑣；輕量級(jí)鎖是只在用戶空間就完成對(duì)用戶空間鎖的調(diào)度管理，直接生成匯編指令，不需要經(jīng)過系統(tǒng)內(nèi)核。jdk1.5推出JUC包，利用CAS采用的輕量級(jí)鎖自旋鎖來替代一些需要鎖的地方，極大的提高效率。

2. CAS操作原理

CAS全拼又叫做compareAndSwap，從名字上的意思就知道是比較交換的意思。它包含 3 個(gè)參數(shù) CAS（V，E，N），V表示要更新變量的值，E表示預(yù)期值，N表示新值。僅當(dāng) V值等于E值時(shí)，才會(huì)將V的值設(shè)為N，如果V值和E值不同，則說明已經(jīng)有其他線程做兩個(gè)更新，則當(dāng)前線程則什么都不做。最后，CAS 返回當(dāng)前V的真實(shí)值。隱藏的問題以及解決辦法參考前文《我的jdk源碼（二十四）：AtomicInteger類和CAS機(jī)制》。

在linux_x86這個(gè)具體系統(tǒng)平臺(tái)的代碼中源碼如下：

由兩個(gè)紅框的內(nèi)容可以看到，底層的實(shí)現(xiàn)是CPU指令原語lock和cmpxchg組合執(zhí)行的，值得一提的是cmpxchg指令雖然支持CAS，卻并不是原子性的操作，所以我們看下LOCK_IF_MP是怎么操作的，實(shí)現(xiàn)的源碼如下：

MP是multi processor的縮寫，意為多處理器。所以在多核處理時(shí)，lock指令會(huì)鎖住系統(tǒng)總線，進(jìn)而鎖定一個(gè)北橋信號(hào)。java中鎖底層基本都是利用lock匯編指令完成。

3. JOL工具

(1) Java Object Layout，引入jar包，就可以在代碼中觀察跟蹤synchronized的瑣升級(jí)過程。

(2) 代碼實(shí)現(xiàn)如下：

(3) 打印結(jié)果如下：

通過上面可以清晰的看到一個(gè)對(duì)象在內(nèi)存之中，有哪些值，由哪些東西構(gòu)成。

(4) 對(duì)象在內(nèi)存中的存儲(chǔ)布局：

mackword：存放瑣標(biāo)志位、偏向鎖位、線程ID、分代年齡等內(nèi)容，下面詳細(xì)解讀。

Klassword：也就是calss pointer，存儲(chǔ)對(duì)象所屬類的地址，就是為了標(biāo)記到底是什么類的實(shí)例。

instance data：保存成員變量實(shí)例對(duì)象。

padding：是為了保證整個(gè)內(nèi)容加起來能被8個(gè)字節(jié)(Byte)整除而填充的空間，JVM讀數(shù)據(jù)是一塊一塊讀的，這樣做效率是最高的。

length：如果對(duì)象是數(shù)組，需要存儲(chǔ)數(shù)組長(zhǎng)度。

(5) 根據(jù)觀察到的對(duì)象頭結(jié)構(gòu)如下：

詳細(xì)解釋：

(1) 當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)無鎖態(tài)對(duì)象的時(shí)候：25位沒有用；31位裝的identity Hashcode，但是只有在被調(diào)用的時(shí)候，才填充，沒有調(diào)用的時(shí)候是空的；1位沒有使用的；4位分代年齡(解釋在下面)；1位偏向鎖位；2位鎖標(biāo)志位。

(2) 偏向鎖的時(shí)候：54位存下當(dāng)前線程的ID；2位存批量撤銷Epoch；1位沒有使用；4位分代年齡；1位偏向鎖位；2位鎖標(biāo)志位。

(3) 自旋鎖：62位指向線程中的Lock Record的指針。Lock Record與鎖重入有關(guān)，synchronize默認(rèn)是可重入的。自旋鎖在競(jìng)爭(zhēng)鎖的時(shí)候，會(huì)在自己的內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)Lock Record對(duì)象，搶到鎖對(duì)象的資源時(shí)，鎖對(duì)象頭存的就是這個(gè)線程的Lock Record對(duì)象的指針，所以在重入的時(shí)候，會(huì)再創(chuàng)建一個(gè)Lock Record對(duì)象，利用Lock Record來記錄到底瑣了多少次。解鎖的時(shí)候，就將一個(gè)Lock Record移除。

(4) 重量級(jí)瑣：重量級(jí)瑣是在C++代碼層面進(jìn)行的，會(huì)生成一個(gè)ObjectMonitor對(duì)象，這個(gè)對(duì)象中記錄了一系列的隊(duì)列，如下圖：

(5) 分代年齡：JVM有10種垃圾回收器，前面7種都涉及分代年齡，采用分代算法。當(dāng)我們創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，把它放在年輕代中，每經(jīng)過一次垃圾回收后年齡就+1，也就是垃圾回收無法回收掉這個(gè)對(duì)象，它的年齡就會(huì)不斷的增長(zhǎng)，到達(dá)15，因?yàn)?個(gè)字節(jié)最大為15，就轉(zhuǎn)到老齡代，年輕代的回收就不再對(duì)它進(jìn)行回收。

4. synchronized瑣升級(jí)過程

注意：

(1) 瑣升級(jí)路線：new -> 偏向鎖 -> 輕量級(jí)瑣(自旋鎖、自適應(yīng)自旋鎖) -> 重量級(jí)瑣

(2) 如果偏向鎖沒有啟動(dòng)，那么new出來的對(duì)象是普通對(duì)象；如果偏向鎖已經(jīng)啟動(dòng)，那么new出來的對(duì)象就是匿名偏向?qū)ο蟆?/p>

(3) 偏向鎖什么情況下轉(zhuǎn)為輕量級(jí)瑣呢？只要有2個(gè)線程競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)瑣資源，所有線程都升級(jí)為輕量級(jí)瑣，也就是都會(huì)自旋搶占瑣資源。

(4) 自旋鎖在競(jìng)爭(zhēng)資源的時(shí)候，也是CAS操作，用CAS的方式修改瑣對(duì)象的mackword。

(5) 自旋鎖升級(jí)為重量級(jí)瑣需要符合什么條件呢？jdk1.6以前，某個(gè)線程自旋次數(shù)上限達(dá)到默認(rèn)的10次，會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖，因?yàn)橐恢弊孕腃PU資源；自旋線程數(shù)量達(dá)到了默認(rèn)是系統(tǒng)的CPU核數(shù)的1/2的時(shí)候，全部升級(jí)為重量級(jí)瑣進(jìn)入等待隊(duì)列。jdk1.6之后，jdk提供了自適應(yīng)自旋，jdk根據(jù)每個(gè)線程的運(yùn)行情況來判斷是否需要升級(jí)。

5. 查看設(shè)置的偏向鎖參數(shù)

JVM參數(shù)分為3類：

第一類： 以-開頭的，叫做標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，所有的JVM版本都支持，如下圖：

第二類：以-X開頭的，叫做非標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，是有版本差異的，有的版本支持，有的版本不支持。

第三類：以-XX開頭的，是可以配置的參數(shù)。

利用以下命令，打印所有可以設(shè)置參數(shù)的項(xiàng)和值打印出來：

利用以下命令，可以查看一共有多少行：

利用以下命令，可以查看所有和偏向鎖有關(guān)系的參數(shù)：

上圖解釋我們?cè)趧?chuàng)建一個(gè)對(duì)象的時(shí)候，即使默認(rèn)啟用了偏向鎖，創(chuàng)建出來的對(duì)象也是無瑣的，但是如果我們?cè)趧?chuàng)建對(duì)象前先設(shè)置5秒的延遲，再創(chuàng)建出來的對(duì)象就是偏向鎖狀態(tài)的，也就是匿名偏向鎖，也就是上面瑣升級(jí)過程圖中的另一種情況。具體操作如下：

代碼如下：

運(yùn)行結(jié)果如下：

三、總結(jié)

本文主要介紹了java對(duì)象頭的組成與synchronized升級(jí)過程，深入底層了解原理，很多細(xì)節(jié)在文中，需要各位仔細(xì)研讀！

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的java对象头_我的并发编程（二）：java对象头以及synchronized升级过程的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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