Java 对象头那点事

概览

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• 对象头
  存放：关于堆对象的布局、类型、GC状态、同步状态和标识哈希码的基本信息。Java对象和vm内部对象都有一个共同的对象头格式。
  （后面做详细介绍）

• 实例数据
  存放：类的数据信息，父类的信息，对象字段属性信息。
  如果对象有属性字段，则这里会有数据信息。如果对象无属性字段，则这里就不会有数据。
  根据字段类型的不同占不同的字节，例如boolean类型占1个字节，int类型占4个字节等等；

• 对齐填充
  存放：为了字节对齐，填充的数据，不是必须的。
  默认情况下，Java虚拟机堆中对象的起始地址需要对齐至8的倍数。
  假如对象头大小为12，实例数据大小为5，最近且大于12+5的8的倍数值是24，则对齐补充大小为：24-12-5=7。

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为什么需要对象填充？

①：字段内存对齐的其中一个原因，是让字段只出现在同一CPU的缓存行中。如果字段不是对齐的，那么就有可能出现跨缓存行的字段。也就是说，该字段的读取可能需要替换两个缓存行，而该字段的存储也会同时污染两个缓存行。这两种情况对程序的执行效率而言都是不利的。其实对其填充的最终目的是为了计算机高效寻址。

②：在计算机系统中，内存是以【缓存行】为单位存储的，一个缓存行存储的字节是2的倍数。不同机器上，缓存行大小也不一样，通常来说为64字节。

对象头

mark word

OpenJDK（JDK8）地址：https://github.com/openjdk/jdk
根据OpenJDK 官方源码中MarkOop.hpp文件中给的注释介绍，可以大概看出mark word的组成。

MarkOop.hpp中的注释1：

32 bits:
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           hash:25 ------------>| age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
           JavaThread*:23 epoch:2 age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
           size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)
           PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)

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)

MarkOop.hpp中的注释2：

    [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

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MarkOop.hpp中的源码1：

  enum { age_bits                 = 4,
         lock_bits                = 2,
         biased_lock_bits         = 1,
         max_hash_bits            = BitsPerWord - age_bits - lock_bits - biased_lock_bits,
         hash_bits                = max_hash_bits > 31 ? 31 : max_hash_bits,
         cms_bits                 = LP64_ONLY(1) NOT_LP64(0),
         epoch_bits               = 2
  };

如图：

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MarkOop.hpp中的源码2：

  enum { locked_value             = 0,
         unlocked_value           = 1,
         monitor_value            = 2,
         marked_value             = 3,
         biased_lock_pattern      = 5
  };

• locked_value
  轻量级锁状态值，mark word 最后2位为00，转为10进制为0。
• unlocked_value
  无锁状态值，mark word 最后3位为001，转为10进制为1。
• monitor_value
  重量级锁状态值，mark word 最后2位为10，转为10进制为2。
• marked_value
  mark word 最后2位为11，转为10进制为3。
  作用比较复杂，
  1：当锁升级为重量级锁的过程中，会将markword设置为这个值。
  2：当对象GC时也要使用这个值。
  

markOop.hpp部分源码如下：

  // 仅用于存储到Lock Record中，用来表示锁正在使用重量级监视器（轻量级锁膨胀为重量级锁之前会这么做）
  static markOop unused_mark() {
    return (markOop) marked_value;
  }

  // age operations
  markOop set_marked()   { return markOop((value() & ~lock_mask_in_place) | marked_value); }
  markOop set_unmarked() { return markOop((value() & ~lock_mask_in_place) | unlocked_value); }

• biased_lock_pattern
  偏向锁状态值，mark word 最后3位为101，转为10进制为5。

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markOop.cpp中还有以下代码，用以判断当前markword处于哪种锁状态：

  // 轻量级锁
  bool is_locked()   const {
    return (mask_bits(value(), lock_mask_in_place) != unlocked_value);
  }
  // 偏向锁
  bool is_unlocked() const {
    return (mask_bits(value(), biased_lock_mask_in_place) == unlocked_value);
  }
  // marked
  bool is_marked()   const {
    return (mask_bits(value(), lock_mask_in_place) == marked_value);
  }
  // 无锁
  bool is_neutral()  const { return (mask_bits(value(), biased_lock_mask_in_place) == unlocked_value); }
  // 膨胀时 markOop 的特殊临时状态。 在锁外查看标记的代码需要考虑到这一点。
  bool is_being_inflated() const { return (value() == 0); }
  // 锁对象处于升级为重量级锁的过程中
  static markOop INFLATING() { return (markOop) 0; }

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为什么对象头分代占4bit
因为对象经过15次GC就会被放入老年代，而15转化为二进制就是1111，干好占4bit.

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epoch的作用
抄自于：http://www.itqiankun.com/article/bias-lock-epoch-effect

其本质是一个时间戳，代表了偏向锁的有效性，epoch存储在可偏向对象的MarkWord中。

①：除了对象中的epoch,对象所属的类class信息中，也会保存一个epoch值。

②：每当遇到一个全局安全点时(这里的意思是说批量重偏向没有完全替代了全局安全点，全局安全点是一直存在的)，比如要对class C 进行批量再偏向，则首先对 class C中保存的epoch进行增加操作，得到一个新的epoch_new。

③：然后扫描所有持有 class C 实例的线程栈，根据线程栈的信息判断出该线程是否锁定了该对象，仅将epoch_new的值赋给被锁定的对象中，也就是现在偏向锁还在被使用的对象才会被赋值epoch_new。

④：退出安全点后，当有线程需要尝试获取偏向锁时，直接检查 class C 中存储的 epoch 值是否与目标对象中存储的 epoch 值相等， 如果不相等，则说明该对象的偏向锁已经无效了（因为（3）步骤里面已经说了只有偏向锁还在被使用的对象才会有epoch_new，这里不相等的原因是class C里面的epoch值是epoch_new,而当前对象的epoch里面的值还是epoch），此时竞争线程可以尝试对此对象重新进行偏向操作。

klass point

元数据指针class pointer，即指向方法区的instanceKlass实例（虚拟机通过这个指针来群定这个对象是哪个类的实例）。

oop.hpp中的源码：

class oopDesc {
  friend class VMStructs;
 private:
  volatile markOop  _mark;
  union _metadata {
    Klass*      _klass;
    narrowKlass _compressed_klass;
  } _metadata;

length field

该属性只有数组对象才有，用以表示数组的长度。

arrayOop.hpp中有这么一段注释：

// The layout of array Oops is:
//
//  markOop
//  Klass*    // 32 bits if compressed but declared 64 in LP64.
//  length    // shares klass memory or allocated after declared fields.

总结

可能面试的时候会被问到这个问题：为什么一个对象可以当成一把锁？
这方面可以与上文中提到的对象头、markword 进行回答即可。

• 概览
• 对象头
•     mark word
•     klass point
•     length field
• 总结

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