详解Java对象结构与对象锁的升级

1. Java对象结构

Java对象结构包括三部分：对象头、对象体和填充字节，如图所示：

对象头又包括三个字段：

• 第一个字段叫作Mark Word（标记字），用于存储自身运行时的数据，例如GC标志位、哈希码、锁状态等信息。
• 第二个字段叫作Class Pointer（类对象指针），用于存放方法区Class对象的地址，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
• 第三个字段叫作Array Length（数组长度）。如果对象是一个Java数组，那么此字段必须有，用于记录数组长度的数据；如果对象不是一个Java数组，那么此字段不存在，所以这是一个可选字段。

在32位JVM虚拟机中，Mark Word和Class Pointer这两部分都是32位的；在64位JVM虚拟机中，Mark Word和Class Pointer这两部分都是64位的。而我们需要重点理解的时mark word , 因为它跟synchronized的底层原理有关。

2. Mark Word的结构信息

Java内置锁的状态总共有4种，级别由低到高依次为：无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。其实在JDK 1.6之前，Java内置锁还是一个重量级锁，是一个效率比较低下的锁，在JDK 1.6之后，JVM为了提高锁的获取与释放效率，对synchronized的实现进行了优化，引入了偏向锁和轻量级锁，从此以后Java内置锁的状态就有了4种，并且4种状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且是不可逆的过程，即不可降级，也就是说只能进行锁升级。

1、不同锁状态下的Mark Word字段结构：

Mark Word字段的结构与Java内置锁的状态强相关。为了让Mark Word字段存储更多的信息，JVM将Mark Word最低两个位设置为Java内置锁状态位，不同锁状态下的32位Mark Word结构如表所示：

64位的Mark Word与32位的Mark Word结构相似，结构如表所示：

2、64位Mark Word的介绍：

由于目前主流的JVM都是64位，因此我们使用64位的Mark Word。接下来对64位的Mark Word中各部分的内容进行具体介绍。

(1) lock：锁状态标记位，占两个二进制位，由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息，因此设置了lock标记。该标记的值不同，整个Mark Word表示的含义就不同。

(2) 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两个标记位组合在一起共同表示Object实例处于什么样的锁状态。二者组合的含义具体如表2-3所示。

lock和biased_lock两个标记位组合在一起共同表示Object实例处于什么样的锁状态。二者组合的含义具体如表所示：

(3) ptr_to_lock_record：占62位，在轻量级锁的状态下指向栈帧中锁记录的指针。

(4) ptr_to_heavyweight_monitor：占62位，在重量级锁的状态下指向对象监视器的指针。

3. 无锁、偏向锁、轻量级锁和重量级锁

在JDK 1.6版本之前，所有的Java内置锁都是重量级锁。重量级锁会造成CPU在用户态和核心态之间频繁切换，所以代价高、效率低。JDK 1.6版本为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了偏向锁和轻量级锁的实现。所以，在JDK 1.6版本中内置锁一共有4种状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这些状态随着竞争情况逐渐升级。内置锁可以升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能再降级成偏向锁。这种能升级却不能降级的策略，其目的是提高获得锁和释放锁的效率。

(1) 无锁状态 ：

Java对象刚创建时还没有任何线程来竞争，说明该对象处于无锁状态（无线程竞争它），这时偏向锁标识位是0，锁状态是01；

(2) 偏向锁状态：

偏向锁是指一段同步代码一直被同一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。如果内置锁处于偏向状态，当有一个线程来竞争锁时，先用偏向锁，表示内置锁偏爱这个线程，这个线程要执行该锁关联的同步代码时，不需要再做任何检查和切换。偏向锁在竞争不激烈的情况下效率非常高。

偏向锁状态的Mark Word会记录内置锁自己偏爱的线程ID，内置锁会将该线程当作自己的熟人，这时偏向锁标识位是1，锁状态是01；

(3) 轻量级锁状态：

当有两个线程开始竞争这个锁对象时，情况就发生变化了，不再是偏向（独占）锁了，锁会升级为轻量级锁，两个线程公平竞争，哪个线程先占有锁对象，锁对象的Mark Word就指向哪个线程的栈帧中的锁记录。这时偏向锁标识位是0，锁状态是00；

当锁处于偏向锁，又被另一个线程企图抢占时，偏向锁就会升级为轻量级锁。企图抢占的线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞抢锁线程，以便提高性能。

自旋原理非常简单，如果持有锁的线程能在很短时间内释放锁资源，那么那些等待竞争锁的线程就不需要进行内核态和用户态之间的切换来进入阻塞挂起状态，它们只需要等一等（自旋），等持有锁的线程释放锁后即可立即获取锁，这样就避免了用户线程和内核切换的消耗。

但是，线程自旋是需要消耗CPU的，如果一直获取不到锁，那么线程也不能一直占用CPU自旋做无用功，所以需要设定一个自旋等待的最大时间。JVM对于自旋周期的选择，JDK 1.6之后引入了适应性自旋锁，适应性自旋锁意味着自旋的时间不是固定的，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间以及锁的拥有者的状态来决定的。线程如果自旋成功了，下次自旋的次数就会更多，如果自旋失败了，自旋的次数就会减少。

如果持有锁的线程执行的时间超过自旋等待的最大时间仍没有释放锁，就会导致其他争用锁的线程在最大等待时间内还是获取不到锁，自旋不会一直持续下去，这时争用线程会停止自旋进入阻塞状态，该锁膨胀为重量级锁。

(4) 重量级锁状态：

重量级锁会让其他申请的线程之间进入阻塞，性能降低。重量级锁也叫同步锁，这个锁对象MarkWord再次发生变化，会指向一个监视器对象，该监视器对象用集合的形式来登记和管理排队的线程。这时偏向锁标识位是0，锁状态是10；

总结