JAVA對象分析之偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖升級過程

在HotSpot虛擬機裏，對象在堆內存中的存儲佈局能夠劃分爲三個部分：

對象頭（Header）

實例數據（Instance Data）

對齊填充（Padding）。

對象頭

HotSpot虛擬機(後面沒有說明的話默認是這個虛擬機)對象頭包括三部分:

一、Mark Word

二、指向類的指針

三、數組長度（只有數組對象纔有）

對象頭之Mark Word

Mark Word記錄了對象和鎖有關的信息，當這個對象被synchronized關鍵字當成同步鎖時，圍繞這個鎖的一系列操做都和Mark Word有關。

Mark Word在32位JVM中的長度是32bit，在64位JVM中長度是64bit。

Mark Word在不一樣的鎖狀態下存儲的內容不一樣，在32位JVM中是這麼存的:

一共32位,兩位用來記錄鎖的信息,1位用來記錄是不是偏向鎖,若是偏向鎖是1的話,那麼會分配23位來記錄偏向的線程id,當計算過Hash後,意味着會分配25bit來記錄HashCode,那麼久沒有空間用來記錄偏向鎖的線程ID了,因此計算過HashCode後就無法再進入偏向鎖。若是進入輕量級鎖或者重量級鎖,意味着會用30bit指向指針,那麼此時對象頭中就只有兩種信息,鎖標誌、指向鎖的指針。

其中無鎖和偏向鎖的鎖標誌位都是01，只是在前面的1bit區分了這是無鎖狀態仍是偏向鎖狀態。

JDK1.6之後的版本在處理同步鎖時存在鎖升級的概念，JVM對於同步鎖的處理是從偏向鎖開始的，隨着競爭愈來愈激烈，處理方式從偏向鎖升級到輕量級鎖，最終升級到重量級鎖。

結合Mark Word分析鎖升級的流程：

1，當沒有被當成鎖時，這就是一個普通的對象，Mark Word記錄對象的HashCode，鎖標誌位是01，是否偏向鎖那一位是0(0則false , 1 則true)。

2，當對象被當作同步鎖並有一個線程A搶到了鎖時，鎖標誌位仍是01，可是否偏向鎖那一位改爲1，前23bit記錄搶到鎖的線程id，表示進入偏向鎖狀態。

3，當線程A再次試圖來得到鎖時，JVM發現同步鎖對象的標誌位是01，是否偏向鎖是1，也就是偏向狀態，Mark Word中記錄的線程id就是線程A本身的id，表示線程A已經得到了這個偏向鎖，能夠執行同步鎖的代碼。

4，當線程B試圖得到這個鎖時，JVM發現同步鎖處於偏向狀態，可是Mark Word中的線程id記錄的不是B，那麼線程B會先用CAS操做試圖得到鎖，這裏的得到鎖操做是有可能成功的，由於線程A通常不會自動釋放偏向鎖。若是搶鎖成功，就把Mark Word裏的線程id改成線程B的id，表明線程B得到了這個偏向鎖，能夠執行同步鎖代碼。若是搶鎖失敗，則繼續執行步驟5。

5，偏向鎖狀態搶鎖失敗，表明當前鎖有必定的競爭，偏向鎖將升級爲輕量級鎖。JVM會在當前線程的線程棧中開闢一塊單獨的空間，裏面保存指向對象鎖Mark Word的副本，同時在對象鎖Mark Word中保存指向這片空間的指針。上述兩個保存操做都是CAS操做，若是保存成功，表明線程搶到了同步鎖，就把Mark Word中的鎖標誌位改爲00，能夠執行同步鎖代碼。若是保存失敗，表示搶鎖失敗，競爭太激烈，繼續執行步驟6。

6，輕量級鎖搶鎖失敗，JVM會使用自旋鎖，自旋鎖不是一個鎖狀態，只是表明不斷的重試，嘗試搶鎖。從JDK1.7開始，自旋鎖默認啓用，自旋次數由JVM決定。若是搶鎖成功則執行同步鎖代碼，若是失敗則繼續執行步驟7。

7，自旋鎖重試以後若是搶鎖依然失敗，同步鎖會升級至重量級鎖，鎖標誌位改成10。在這個狀態下，未搶到鎖的線程都會被阻塞。

對象頭之指向類的指針

該指針在32位JVM中的長度是32bit，在64位JVM中長度是64bit。

Java對象的類數據保存在方法區。 並非全部的虛擬機實現都必須在對象數據上保留類型指針，換句話說，查找對象的元數據信息並不必定要通過對象自己。

對象頭之數組長度

若是對象是一個Java數組，那在對象頭中還必須有一塊用於記錄數組長度的數據，由於虛擬機能夠經過普通Java對象的元數據信息肯定Java對象的大小，可是若是數組的長度是不肯定的，將沒法經過元數據中的信息推斷出數組的大小。

只有數組對象保存了這部分數據, 該數據在32位和64位JVM中長度都是32bit。

實例數據

實例數據部分是對象真正存儲的有效信息，即咱們在程序代碼裏面所定義的各類類型的字段內容，不管是從父類繼承下來的，仍是在子類中定義的字段都必須記錄起來。這部分的存儲順序會受到虛擬機分配策略參數（-XX：FieldsAllocationStyle參數）和字段在Java源碼中定義順序的影響。HotSpot虛擬機默認的分配順序爲longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（OrdinaryObject Pointers，OOPs），從以上默認的分配策略中能夠看到，相同寬度的字段老是被分配到一塊兒存放，在知足這個前提條件的狀況下，在父類中定義的變量會出如今子類以前。若是HotSpot虛擬機的+XX：CompactFields參數值爲true（默認就爲true），那子類之中較窄的變量也容許插入父類變量的空隙之中，以節省出一點點空間。

對齊填充

這並非必然存在的，也沒有特別的含義，它僅僅起着佔位符的做用。因爲HotSpot虛擬機的自動內存管理系統要求對象起始地址必須是8字節的整數倍，換句話說就是任何對象的大小都必須是8字節的整數倍。對象頭部分已經被精心設計成正好是8字節的倍數（1倍或者2倍），所以，若是對象實例數據部分沒有對齊的話，就須要經過對齊填充來補全。

站在巨人的肩膀上

1.<<深刻理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐（第3版） (華章原創精品)>>,周志明