深入理解Java对象头Mark Word
下面是基于JDK13 64位
网上对于Java对象头Mark Word有很多的资料，但是大多数都是32系统的，jdk7甚至1.6的版本。通过对网上资料的查找根据自己的一些代码下面来深入理解一下Java对象头Mark Word的组成。
1 对象头的参看神器
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.14</version>
</dependency>
通过使用对象头查看神器来小试牛刀一下代码如下：
package com.github.mxsm;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
public class HeaderView {
public static void main(String[] args) {
HeaderView headerView = new HeaderView();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
}
}
通过运行的结果如下：
com.github.mxsm.HeaderView object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 54 c3 00 f8 (01010100 11000011 00000000 11111000) (-134167724)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
通过发现在正常不设置任何参数的情况下，对象头的长度为12个字节。
增加一个JVM参数（取消对象指针压缩，默认情况下JDK是开启的）：
-XX:-UseCompressedOops
运行的结果：
com.github.mxsm.HeaderView object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 08 17 2e 1c (00001000 00010111 00101110 00011100) (472782600)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
所以在不开启对象指针压缩的情况下对象头的长度为16个字节。
2 对象头的组成
普通对象：
//开启了指针压缩
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (96 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (64 bits) | Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
//没有开启指针压缩
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (128 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (64 bits) | Klass Word (64 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
public class HeaderView {
//-XX:+UseCompressedOops
//-XX:-UseCompressedOops
public static void main(String[] args) {
Header headerView = new Header();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
}
}
-XX:+UseCompressedOops 指针压缩开启运行结果
com.github.mxsm.Header object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 92 c3 00 f8 (10010010 11000011 00000000 11111000) (-134167662)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
-XX:+UseCompressedOops 指针压缩关闭运行结果
com.github.mxsm.Header object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) d0 1b 3b 1c (11010000 00011011 00111011 00011100) (473635792)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
数组对象：
//开启指针压缩
|----------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header (128 bits) |
|--------------------------------|-----------------------|-------------------------|
| Mark Word(64bits) | Klass Word(32bits) | array length(32bits) |
|--------------------------------|-----------------------|-------------------------|
//没有开启指针压缩
|----------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header (160 bits) |
|--------------------------------|-----------------------|-------------------------|
| Mark Word(64bits) | Klass Word(64bits) | array length(32bits) |
|--------------------------------|-----------------------|-------------------------|
public class HeaderView {
public static void main(String[] args) {
Header[] headerView = new Header[100];
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
}
}
-XX:+UseCompressedOops 指针压缩开启运行结果：
[Lcom.github.mxsm.Header; object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 05 c4 00 f8 (00000101 11000100 00000000 11111000) (-134167547)
12 4 (object header) 64 00 00 00 (01100100 00000000 00000000 00000000) (100)
16 400 com.github.mxsm.Header Header;.<elements> N/A
Instance size: 416 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total
-XX:-UseCompressedOops 指针压缩关闭运行结果：
[Lcom.github.mxsm.Header; object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) b0 1d ab 1c (10110000 00011101 10101011 00011100) (480976304)
12 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
16 4 (object header) 64 00 00 00 (01100100 00000000 00000000 00000000) (100)
20 4 (alignment/padding gap)
24 800 com.github.mxsm.Header Header;.<elements> N/A
Instance size: 824 bytes
Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total
3 Mark Word
标记字段每个字段表示什么，我们可以从JVM的源码着手分析，下面来看一下在 OpenJDK中markOop.hpp JDK源码的文件注释，注释说明了位图的表示：
说明:在OpenJDK中发现15版本已经没有markOop.hpp文件存在了。
// 64 bits:
// --------
// unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
// JavaThread*:54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
// PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
// size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)
//
// 使用COOPs指针压缩技术
// unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object)
// JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object)
// narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object)
// unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)
// [JavaThread* | epoch | age | 1 | 01] lock is biased toward given thread
// [0 | epoch | age | 1 | 01] lock is anonymously biased
//
// - the two lock bits are used to describe three states: locked/unlocked and monitor.
//
// [ptr | 00] locked ptr points to real header on stack
// [header | 0 | 01] unlocked regular object header
// [ptr | 10] monitor inflated lock (header is wapped out)
// [ptr | 11] marked used by markSweep to mark an object
// not valid at any other time
如下图：
指针压缩开启：
指针压缩关闭
说明：
- 轻量锁是相对于偏向锁来说的
- 无锁状态是用01来表示
- 重量锁在英文说明中用的是(inflated lock)膨胀锁
4 Mark Word 锁状态
通过分析JVM的源码注释可以发现Java对象头在不同的状态下会有不同的表现形式，主要有三种状态：
- 无锁状态
- 加锁状态
- GC标记
Java中上锁可以理解为给对象上锁，也就是改变对象头的状态(锁的状态)如果成功上锁那么就进入同步的代码块中。Java中锁又分为三类：
- 偏向锁(01)
- 轻量锁(00)
- 重量锁(10)
说明：01、00、10 是对象头中锁的两位的表示
不同的锁效率也不一样。
5 jol数据如何查看
package com.github.mxsm;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
/**
* @author mxsm
* @Date 2021/1/21
* @Since
*/
public class HeaderView {
public static void main(String[] args) {
Header headerView = new Header();
System.out.println("HashCode十六进制----------->"+Integer.toHexString(headerView.hashCode()));
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
}
}
运行结果:
用示意图来表示Mark Word的数据排列结合jol打印的数据：
排列如上图就能和上面打印的对比出来了。这样也就解释了为什么头部未使用的25个byte
说明：通过上面的锁的两个位标识可以看出来，在没有枷锁的时候应该是01和图中也一一对上
5 Mark Word 正常状态
以下都是在开启指针压缩的情况下(这个也是JVM的默认)，首先看一下Header类
public class Header {
private boolean flag;
private int index;
private long date;
private float flt;
private double db;
private byte bytes;
private String string;
private char ch;
}
public class HeaderView {
public static void main(String[] args) {
Header headerView = new Header();
System.out.println("HashCode十六进制----------->"+Integer.toHexString(headerView.hashCode()));
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
}
}
正常状态打印数据：
说明:从上图可以看出来不同的数据类型占用的字节数都不一样。
6 Mark Word 偏向锁
public class Header {
public synchronized void biasedLock(){
System.out.println("biasedLock................");
}
}
package com.github.mxsm;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
/**
* @author mxsm
* @Date 2021/1/21
* @Since
*/
public class HeaderView {
public static void main(String[] args) {
Header headerView = new Header();
System.out.println("加锁之前.....");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
headerView.biasedLock();
System.out.println("加锁之后.....");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
}
}
打印结果：
通过结果发现调用上面这个程序只有一个线程去调用biasedLock方法，应该是偏向锁，但是你会发现输出的结果（第一个字节）依然是00000001和无锁的时候一模一样，其实这是因为虚拟机在启动的时候对于偏向锁有延迟如果没有偏向锁的延迟的话，虚拟机在启动的时候，可能JVM某个线程调用你的线程，这样就有可能变成了轻量锁或者重量锁(如果没有延迟会降低JVM启动的速度)，所以要做偏向锁的延迟。查看的方式有两种：
-
增加JVM参数:-XX:BiasedLockingStartupDelay=0
-
加锁之前让线程睡几秒
package com.github.mxsm;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
package com.github.mxsm;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
/**
* @author mxsm
* @Date 2021/1/21
* @Since
*/
public class HeaderView {
public static void main(String[] args) {
/**
* 睡眠时间大概在5秒左右，4秒测试我这边没有效果
* 切记延迟一定要放在对象创建之前，不然是无效的，因为在你对象创建之前，偏向锁的延迟的时间
* 没有给你睡过去，这时候，对象已经创建了，对象头的信息已经生成了。(在对象头生成之前)
*/
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(4500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Header headerView = new Header();
System.out.println("加锁之前.....");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
headerView.biasedLock();
System.out.println("加锁之后.....");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
}
}说明：
- 睡眠时间大概在五秒左右，具体可以去测试
- 线程睡眠时间一定要在对象创建之前(对象头生成之前)
通过图片可以看出来已经变成可偏向状态了。
7 Mark Word重量锁(膨胀锁)
package com.github.mxsm;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
/**
* @author mxsm
* @Date 2021/1/21
* @Since
*/
public class Header {
public synchronized void biasedLock(){
System.out.println("biasedLock方法执行................");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(this).toPrintable());
}
}
package com.github.mxsm;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
/**
* @author mxsm
* @Date 2021/1/26
* @Since
*/
public class InflatedLock {
public static void main(String[] args) {
//偏向锁延迟开启的状态下
final Header headerView = new Header();
System.out.println("加锁之前.....");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (headerView){
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("------ Thread1 release-----\n");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
}
}
},"Thread1").start();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Thread1 is locking");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
headerView.biasedLock();
System.out.println("加锁之后.....");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
System.gc();
System.out.println("GC后.....");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(headerView).toPrintable());
}
}
执行结果：
gc后年龄增加1。
参考文档：