Java对象内置结构

Java对象很多重要信息都存放在对象结构中，在学习Java内置锁之前，先来了解一下Java对象结构

1.Java对象的三个部分

1.1.对象头

对象头一共包括三个字段【Mark Word】【Class Pointer】【 Array Length】

• MarkWord(标记字)，用于存储自身运行时的一些数据，例如GC标志位，哈希码，锁状态等信息。
• Class Pointer(类对象指针)，用于存放此对象的元数据（InstanceKlass）的地址，虚拟机可以通过此指针确当这个对象是那个类的实例
• 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，如果不是数组，那么此字段不存在

1.2.对象体

对象体包含了，对象的实例变量（成员变量），用于成员属性值，包括父类的成员属性值，这部分内存按照4字节对齐

1.3.对齐字节

对齐字节（Alignment Byte）是为了优化内存访问效率而在Java中自动添加的额外字节。它确保对象和数组字段的对齐，提高内存访问的效率和性能。开发人员无需手动处理对齐字节，由Java虚拟机自动处理。

其中，对齐字节也称为填充对齐，作用就是用来保证Java对象在所占用内存字节数为8的倍数（8N Bytes）,HotSopt VM内存管理要求，对象的起始地址必须是8字节的整数倍

2.对象结构中核心字段的作用

下面我们来对Object实例结构中的几个重要字段作一些简单说明

2.1.MarkWord(标记字)

在Java对象头部的一部分内存空间用于存储对象的元数据和状态信息，被称为MarkWord。MarkWord包含了对象的哈希码、锁信息、GC标记等信息。它的具体结构和内容在不同的JVM实现中可能会有所差异。

2.2.Class Pointer(类对象指针)

在Java对象头部的另一部分内存空间用于存储指向该对象所属类的指针，被称为Class Pointer。这个指针指向对象的类的元数据，包括类的方法、字段等信息。通过Class Pointer，可以在运行时获取对象所属的类，并进行相应的操作。

2.3.Array Length(数组长度)

对于数组对象，Java对象头部的一部分内存空间用于存储数组的长度信息。这个长度信息在创建数组时被初始化，之后无法被修改。

2.4.对象体

象体是Java对象的实际数据部分，包含了对象的字段值。对象体的大小取决于对象中定义的字段及其类型。对象体紧跟在对象头部之后，占据连续的内存空间。

2.5.对齐字节

在Java对象的内存布局中，为了对齐数据而添加的额外字节被称为对齐字节。对齐字节的存在是为了提高内存访问的效率和性能。它确保对象和数组字段的对齐，使得数据能够被高效地加载到寄存器或缓存中。

3.Mark Word的结构信息

Java内置锁涉及了很多的重要信息，这些都存放在对象结构中，放放于对象头的MarkWord字段中，MarkWord长度为JVM的一个Word大小，也就说32位JVM MakrWord 为32位 ，64位的Mark Word为64位，MarkWord的位长度并不会受到OOP对象指针压缩的影响。

Java内置锁的状态一共分为4种，【无锁】->【偏向锁】->【轻量级锁】->【重量级锁】，四种锁的状态会随着竞争的情况逐渐升级，而且过程是不可逆的（不可降级），锁只会升级，不会降级。

3.1.不同锁状态下的Mark Word字段结构

Mark Word 字段的结构和Java内置锁的结构 强相关，为了让Mark Word字段存储更多的信息，JVM将Mark Word的最低两个位置设置为Java内置锁状态

下面通过图来了解一下Mark Word 结构

3.2.Mark Word的构成

目前主流的JVM都是64位，使用64位的Mark Word 下面对64位的Mark Word的各部分进行简单介绍下

1. **lock（锁状态）：**lock字段用于表示对象的锁状态。它包含了对象的锁信息，可以标识对象是否被锁定，以及锁的类型（如无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁等）。锁状态的具体取值和意义在不同的JVM实现中可能会有所差异。
2. biased_lock（偏向锁标记）：biased_lock字段用于表示对象是否启用了偏向锁。偏向锁是一种针对无竞争的情况下优化的锁机制，用于提高单线程访问同步块的性能。当对象启用偏向锁时，biased_lock字段的值为1，表示该对象已经偏向于某个线程，不需要进行锁的竞争。
3. **age（对象年龄）：**age字段用于表示对象的年龄。在垃圾回收的过程中，JVM会根据对象的年龄来决定是否将对象晋升为老年代。对象的年龄通过age字段进行记录，当对象经过一次Minor GC（年轻代垃圾回收）而没有被回收时，其年龄会增加。
4. **identity_hashcode（标识哈希码）：**identity_hashcode字段用于存储对象的标识哈希码。标识哈希码是对象的一个唯一标识，与对象的内容无关。它在需要比较对象的引用是否相等时起到重要的作用。
5. **thread（持有锁的线程）：**thread字段用于记录当前持有锁的线程。在多线程环境下，当一个线程获得对象的锁时，该字段会记录该线程的引用，以便在锁的释放或竞争时进行相应的操作。
6. **epoch（锁记录的版本号）：**epoch字段用于记录锁记录的版本号。它在偏向锁撤销和轻量级锁升级为重量级锁时起到重要作用。当锁状态发生变化时，会更新epoch字段的值，以确保锁记录的有效性。
7. **ptr_to_lock_record（指向锁记录的指针）：**ptr_to_lock_record字段用于指向对象的锁记录。锁记录是在竞争过程中创建的数据结构，用于记录锁的状态和竞争情况等信息。
8. **ptr_to_heavyweight_monitor（指向重量级监视器的指针）：**ptr_to_heavyweight_monitor字段用于指向重量级监视器的指针。当对象的锁升级为重量级锁时，会创建一个重量级监视器来管理锁的竞争。

这些字段在MarkWord中扮演着重要的角色，用于管理对象的锁状态、偏向锁、年龄、哈希码等信息。它们的具体含义和使用方式在不同的JVM实现中可能会有所不同，但它们都对对象的同步和垃圾回收起到了重要的作用。

4.使用JOL工具查看对象的布局

如何在Java程序中查看Object对象头的结构呢？我们可以使用OpenJDK提供的JOL工具

JOL是分析JVM中对象的结构布局的工具，该用具大量使用了Unsafe ,JVMTI来解码内部布局情况，分析结果还是比较准确的。

4.1.引入依赖

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jol/jol-core -->
<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.10</version>
</dependency>

4.2.编写对象布局分析的测试代码

public class JOLTest {


    private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(JOLTest.class);

    @Test
    @DisplayName("测试JOL的使用")
    public void testJOL() {
        // 创建一个示例对象
        Student student = new Student();
        student.name = "喜羊羊";

        // 打印JVM信息
        log.error("JVM详细信息: {}", VM.current().details());

        // 打印对象布局信息
        log.error("对象布局:");
        log.error(ClassLayout.parseInstance(student).toPrintable());
    }


}
class Student{
    public String name;
}

运行结果

4.3.输出结果解读

常见的Java数据类型及其在内存中所占用的字节数

数据类型	字节数	范围	备注
boolean	1	true 或 false	布尔类型只占用一个字节，但实际取值范围为 true 或 false。
byte	1	-128 到 127	有符号的8位整数类型。
short	2	-32,768 到 32,767	有符号的16位整数类型。
char	2	0 到 65,535	无符号的16位Unicode字符类型。
int	4	-2,147,483,648 到 2,147,483,647	有符号的32位整数类型。
float	4	IEEE 754 单精度浮点数（有效位数约为 6-7 位）	单精度浮点数类型，用于表示小数。
long	8	-9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807	有符号的64位整数类型。
double	8	IEEE 754 双精度浮点数（有效位数约为 15 位）	双精度浮点数类型，用于表示小数。
reference	4 / 8	对象引用，取决于操作系统位数（32位操作系统为 4 字节，64位操作系统为 8 字节）	表示对Java对象的引用，指向对象在堆中的内存地址。
对象头部（Object Header）	12	对象的元数据和状态信息	对象头部包含标记字段、哈希码、锁信息等，具体结构和大小可能会因Java虚拟机实现的不同而有所差异。

需要注意的是，数据类型的字节数可能会因特定的编译器、操作系统和硬件架构而有所不同。引用类型的大小取决于操作系统的位数，32位操作系统上为4字节，64位操作系统上为8字节。对象头部（Object Header）的大小也可能因不同的Java虚拟机实现而有所不同。

通过结果我们可以得到

1. 对象头部（object header）占据了前12个字节（0-11字节）的空间：
   • 第一个字段（偏移量0）：值为 01 00 00 00，十六进制形式对应的二进制为 00000001 00000000 00000000 00000000。这是对象的标记字段，表示对象的状态和锁信息。
   • 第二个字段（偏移量4）：值为 00 00 00 00，十六进制形式对应的二进制为 00000000 00000000 00000000 00000000。这个字段也是对象头部的一部分，具体含义可能是保留字段或其他元数据。
   • 第三个字段（偏移量8）：值为 80 77 13 01，十六进制形式对应的二进制为 10000000 01110111 00010011 00000001。这个字段是对象头部的一部分，可能是用来存储对象的哈希码或其他标识信息。
2. com.hrfan.java_se_base.base.thread.jol.Student对象的实例大小为16字节。
3. com.hrfan.java_se_base.base.thread.jol.Student对象的字段中，只有一个字段是java.lang.String类型的，即Student对象的name字段。该字段位于偏移量为12的位置，占据了4个字节的空间。
4. 对象的空间损失为0字节，既没有内部损失也没有外部损失。

4.4.大小端问题

有关字节序列存放格式，目前有两大主流阵营，一个阵营是PowerPC系列的CPU,采用大端模式进行存放数据，第二大阵营是X86系列的CPU采用小端模式存放数据

大小端（Endianness）是指在多字节数据类型存储时，字节的存放顺序。在计算机中，多字节数据类型（如整数、浮点数等）通常由多个字节组成，而字节本身是按照一定的顺序进行存储的。具体来说，大小端指的是最低有效字节（即最右边的字节）和最高有效字节（即最左边的字节）的存放顺序。

在大端字节序（Big Endian）中，最高有效字节存储在最低的地址，而最低有效字节存储在最高的地址。这意味着在多字节数据类型中，字节的存放顺序与它们的值相对应。例如，对于16位整数值0x1234，它的最高有效字节是0x12，最低有效字节是0x34，在大端字节序中，它们将按照如下顺序存储：0x12（高地址）和0x34（低地址）。

在小端字节序（Little Endian）中，最低有效字节存储在最低的地址，而最高有效字节存储在最高的地址。这意味着在多字节数据类型中，字节的存放顺序与它们的值相反。以同样的例子，对于16位整数值0x1234，在小端字节序中，它们将按照如下顺序存储：0x34（低地址）和0x12（高地址）。

内存地址	大端字节序	大端字节序（二进制）	小端字节序	小端字节序（二进制）
0x1000	0x12	0001 0010	0x34	0011 0100
0x1001	0x34	0011 0100	0x12	0001 0010

在大端字节序中，高位字节（0x12）存储在低地址（0x1000），低位字节（0x34）存储在高地址（0x1001）。二进制表示为0001 0010（高位字节）和0011 0100（低位字节）。

在小端字节序中，低位字节（0x34）存储在低地址（0x1000），高位字节（0x12）存储在高地址（0x1001）。二进制表示为0011 0100（低位字节）和0001 0010（高位字节）。

5.Java中的内置锁

在JDK1.6之前，所有的锁都是重量级锁，重量级锁会造成CPU在用户态和核心态之间频繁切换，所以代价高效率地下。所以在JDK1.6以后，引入【偏向锁】，【轻量级锁】的实现。

当涉及到多线程并发访问共享资源时，Java中的锁状态会根据不同的情况进行动态调整。

5.1.无锁状态

无锁状态表示对象没有被任何线程锁定，多个线程可以同时访问该对象而不会发生互斥或同步等操作。这种情况通常在没有竞争的情况下发生。例如，以下代码片段展示了一个无锁状态的示例：

int counter = 0;

// 线程1
counter++;

// 线程2
counter++;

在这个示例中，两个线程可以同时对counter变量进行递增操作，因为没有竞争发生。

5.2.偏向锁状态

偏向锁状态是一种针对无竞争情况下的优化。当一个线程获取了一个对象的锁，并且在之后连续多次访问该对象时，JVM会将该对象升级为偏向锁状态。偏向锁的目的是为了提高无竞争情况下的性能。以下是一个偏向锁状态的示例：

class Counter {
    private int count = 0;
}

public class Test  m                                     {
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();

        // 线程1获取锁并连续多次访问
        synchronized (counter) {
            counter.count++;
            counter.count++;
            // ...
        }

        // 线程2再次获取锁并访问
        synchronized (counter) {
            counter.count++;
            // ...
        }
    }
}

在这个示例中，线程1获取了counter对象的锁，并连续多次访问了count字段。由于没有其他线程竞争该锁，counter对象会被升级为偏向锁状态，线程2再次获取锁时会直接进入偏向锁状态，从而避免了同步操作。

5.3.轻量级锁状态

轻量级锁状态适用于多个线程竞争同一个对象的锁的情况。在轻量级锁状态下，锁的获取和释放使用CAS操作来实现，避免了传统的互斥量机制，从而提高了性能。以下是一个轻量级锁状态的示例：

class Counter {
    private int count = 0;
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();

        // 线程1获取锁
        synchronized (counter) {
            // ...
        }

        // 线程2尝试获取锁
        synchronized (counter) {
            // ...
        }
    }
}

在这个示例中，线程1获取了counter对象的锁，此时counter对象处于轻量级锁状态。当线程2尝试获取锁时，它会使用CAS操作进行自旋尝试获取锁，如果竞争不激烈，线程2可以快速获取到锁，避免了进入重量级锁状态。

5.4.重量级锁状态

重量级锁状态适用于竞争激烈的情况，它使用操作系统的互斥量机制来进行锁的获取和释放。重量级锁确保了线程的互斥访问，但在竞争激烈的情况下可能导致线程的频繁切换和性能下降。以下是一个重量级锁状态的示例：

class Counter {
    private int count = 0;
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();

		while(true){
		
		     // 线程1获取锁
	        synchronized (counter) {
	            // ...
	        }
	
	        // 线程2获取锁
	        synchronized (counter) {
	            // ...
	        }
	        // 特定条件下退出循环
	        // .......
		}
    }
}

在这个示例中，线程1和线程2同时竞争获取counter对象的锁。由于竞争激烈，JVM会将counter对象升级为重量级锁状态，这时锁的获取和释放会涉及到操作系统的互斥量机制。

注意，具体的锁状态转换和升级过程由JVM自动管理，开发者在编写代码时无需显式处理锁状态的转换。锁状态的调整是根据实际的并发情况自动进行的。
后面我们会专门对偏向锁，轻量级锁，重量级锁进行分析