Java对象头Mark Word的深度解析：锁状态、GC标记位的内存结构
大家好，今天我们来深入探讨Java对象头中的Mark Word，它是理解Java并发和垃圾回收机制的关键。Mark Word存储了对象的重要元数据，包括锁状态、GC标记位、哈希值等。理解其内部结构对于编写高效的Java程序至关重要。
1. 对象头的结构概览
在HotSpot虚拟机中，每个Java对象都包含对象头。对象头主要由两部分组成：
- Mark Word (标记字)：存储对象的哈希值、GC分代年龄、锁状态标志、偏向线程ID等信息。它是我们今天讨论的重点。
- Klass Pointer (类型指针)：指向描述对象类型的类元数据（
Klass）的指针。通过这个指针，虚拟机可以知道对象是哪个类的实例。
对于数组对象，对象头还包含一个额外的字段：
- Array Length (数组长度)：记录数组的长度。
我们今天主要关注Mark Word，因为它的内容会随着对象的状态变化而变化，直接影响着并发性能和垃圾回收效率。
2. Mark Word的内存布局
Mark Word的长度在32位虚拟机中为4字节，在64位虚拟机中为8字节。其内部结构会根据对象的不同状态而有所不同。以下是几种常见的Mark Word状态及其布局：
2.1 无锁状态 (Normal)
在无锁状态下，Mark Word通常存储对象的哈希值和分代年龄。
| 偏移量 (Bits) | 大小 (Bits) | 内容 |
|---|---|---|
| 0-30 (32位) | 31 | 对象哈希值 (HashCode) |
| 31-34 (32位) | 4 | GC分代年龄 (age) |
| 35 | 1 | 是否是偏向锁 (biased_lock) |
| 36-63 (64位) | 25 | 空 (未使用，通常为0) |
| 0-24 (64位) | 25 | 对象哈希值 (HashCode) |
| 25-30 (64位) | 6 | GC分代年龄 (age) |
| 31 | 1 | 是否是偏向锁 (biased_lock) |
| 32-63 (64位) | 32 | epoch (偏向时间戳，只有偏向锁时有效) |
2.2 偏向锁状态 (Biased)
偏向锁是为了优化无竞争情况下的锁获取性能而设计的。当一个线程第一次访问一个对象并获取锁时，对象头的Mark Word会被设置为偏向模式，记录该线程的ID。以后该线程再次访问该对象时，无需进行CAS操作，可以直接获得锁。
| 偏移量 (Bits) | 大小 (Bits) | 内容 |
|---|---|---|
| 0-61 (64位) | 62 | 偏向线程ID (thread) |
| 62 | 1 | 偏向锁标志位 (biased_lock) – 总是1 |
| 63 | 1 | 锁标志位 (lock) – 总是101 (二进制) |
| 0-30 (32位) | 31 | 偏向线程ID (thread) |
| 31 | 1 | 是否是偏向锁 (biased_lock) – 总是1 |
| 32-34 (32位) | 3 | epoch (偏向时间戳) |
| 35 | 1 | 锁标志位 (lock) – 总是101 (二进制) |
2.3 轻量级锁状态 (Lightweight Locked)
当多个线程竞争同一个对象时，偏向锁会升级为轻量级锁。线程会在自己的栈帧中创建一个锁记录 (Lock Record)，并将对象头的Mark Word复制到锁记录中。然后，线程尝试使用CAS操作将对象头的Mark Word更新为指向锁记录的指针。如果CAS操作成功，则该线程获得锁；如果CAS操作失败，则表示存在竞争，锁会进一步升级。
| 偏移量 (Bits) | 大小 (Bits) | 内容 |
|---|---|---|
| 0-63 (64位) | 64 | 指向栈中锁记录的指针 (pointer to lock record) |
| 0-31 (32位) | 32 | 指向栈中锁记录的指针 (pointer to lock record) |
2.4 重量级锁状态 (Heavyweight Locked)
如果轻量级锁CAS操作多次失败，锁会升级为重量级锁。重量级锁会将锁的状态存储在操作系统内核的互斥量 (Mutex) 中，需要进行用户态和内核态的切换，性能开销较大。
| 偏移量 (Bits) | 大小 (Bits) | 内容 |
|---|---|---|
| 0-63 (64位) | 64 | 指向互斥量 (Mutex) 的指针 (pointer to mutex) |
| 0-31 (32位) | 32 | 指向互斥量 (Mutex) 的指针 (pointer to mutex) |
2.5 GC标记状态 (Marked for GC)
在垃圾回收过程中，GC会标记需要回收的对象。Mark Word也会被用来存储GC标记信息。
| 偏移量 (Bits) | 大小 (Bits) | 内容 |
|---|---|---|
| 0-63 (64位) | 64 | GC标记信息 (GC mark bits) |
| 0-31 (32位) | 32 | GC标记信息 (GC mark bits) |
总结表格
| 锁状态 | 32位 Mark Word | 64位 Mark Word |
|---|---|---|
| 无锁 (Normal) | [hashcode:31][age:4][biased_lock:1][lock:01] |
[hashcode:25][age:6][biased_lock:1][lock:01][epoch:32] |
| 偏向锁 (Biased) | [thread ID:31][epoch:3][biased_lock:1][lock:101] |
[thread ID:62][biased_lock:1][lock:101] |
| 轻量级锁 (Lightweight) | [pointer to lock record:32] |
[pointer to lock record:64] |
| 重量级锁 (Heavyweight) | [pointer to monitor:32] |
[pointer to monitor:64] |
| GC标记 (Marked) | [GC mark:32] |
[GC mark:64] |
3. 代码示例：查看对象头信息
虽然我们不能直接访问Mark Word的内部结构，但可以使用一些工具来查看对象头的相关信息。例如，可以使用JOL (Java Object Layout) 工具来分析对象的内存布局。
首先，需要在项目中引入JOL的依赖：
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.16</version> <!-- 请使用最新版本 -->
</dependency>然后，可以使用以下代码来查看对象头的布局：
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
public class ObjectHeaderExample {
public static void main(String[] args) {
Object obj = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
String str = new String("Hello");
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(str).toPrintable());
int[] arr = new int[10];
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(arr).toPrintable());
}
}运行上述代码，可以得到类似以下的输出（输出结果会因JVM版本和配置而异）：
java.lang.Object 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) e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
12 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
java.lang.String 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) c6 00 00 f8 (11000110 00000000 00000000 11111000) (-134217530)
12 4 char[] String.value (address: b29c6800)
16 4 int String.hash 0
20 4 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total
[I 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) ea 01 00 f8 (11101010 00000001 00000000 11111000) (-134217238)
12 4 int [I.length 10
16 40 int [I.values N/A
56 0 (loss due to the next object alignment)
Instance size: 56 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total从输出结果中可以看到，每个对象都有一个对象头，包含Mark Word和Klass Pointer。对于数组对象，还包含数组长度。
4. 锁升级过程
锁升级是Java并发编程中一个重要的概念。了解锁升级过程有助于我们更好地理解锁的性能特点，并选择合适的锁策略。
- 无锁状态： 对象刚创建时，处于无锁状态。Mark Word存储哈希值和分代年龄。
- 偏向锁： 当一个线程第一次访问对象时，尝试获取偏向锁。如果对象没有被其他线程锁定，则将Mark Word设置为偏向模式，并将线程ID记录在Mark Word中。
- 轻量级锁： 如果有其他线程尝试获取偏向锁，则偏向锁会升级为轻量级锁。线程会在自己的栈帧中创建一个锁记录，并将对象头的Mark Word复制到锁记录中。然后，线程尝试使用CAS操作将对象头的Mark Word更新为指向锁记录的指针。
- 重量级锁： 如果轻量级锁CAS操作多次失败，则锁会升级为重量级锁。线程会阻塞，等待操作系统的调度。
锁升级是一个不可逆的过程，只能从低级别向高级别升级，不能降级。这是因为锁降级会导致复杂的同步问题，反而会降低性能。
5. GC标记位的作用
GC标记位在垃圾回收过程中起着至关重要的作用。垃圾回收器通过标记位来判断对象是否需要回收。常见的GC算法，如标记-清除、标记-整理、复制算法等，都需要使用标记位。
- 标记阶段： 垃圾回收器会遍历堆中的所有对象，并标记所有可达对象。可达对象是指从根对象 (Root Set) 出发，通过引用链可以到达的对象。
- 清除/整理/复制阶段： 垃圾回收器会根据标记结果，清除不可达对象，或者整理堆空间，或者将可达对象复制到新的区域。
Mark Word中的GC标记位用于存储对象的标记信息。不同的垃圾回收器可能使用不同的标记策略，但最终都会将标记信息存储在Mark Word中。
6. 哈希值的影响
Mark Word中存储的哈希值对对象的行为也有一定影响。例如，hashCode() 方法的默认实现会使用Mark Word中的哈希值。
public class HashCodeExample {
public static void main(String[] args) {
Object obj1 = new Object();
Object obj2 = new Object();
System.out.println("obj1 hashcode: " + obj1.hashCode());
System.out.println("obj2 hashcode: " + obj2.hashCode());
// 即使是两个不同的对象，如果哈希值相同，也会被认为是相同的键
// 在哈希表 (如HashMap) 中。
}
}需要注意的是，如果对象被用作哈希表的键，并且在哈希表的使用过程中发生了锁升级，可能会导致哈希值发生变化，从而破坏哈希表的正确性。因此，在使用哈希表时，应该尽量避免使用可变对象作为键，或者确保对象的哈希值在整个生命周期内保持不变。
7. 总结
- Mark Word 是 Java 对象头中重要的组成部分，存储着锁状态、GC 标记位、哈希值等关键元数据。
- Mark Word 的结构会随着对象的状态变化而变化，理解其内部布局对于理解 Java 并发和垃圾回收机制至关重要。
- 我们可以使用 JOL 工具来查看对象的内存布局，从而更直观地了解 Mark Word 的内容。
- 锁升级和 GC 标记是 Java 并发和垃圾回收中重要的概念，Mark Word 在这两个过程中都发挥着关键作用。
- 哈希值也会影响对象的行为，需要注意哈希值在对象生命周期内的稳定性。
希望今天的分享能够帮助大家更深入地理解 Java 对象头中的 Mark Word。 掌握 Mark Word 的相关知识，对于编写高效、可靠的 Java 程序具有重要意义。