Synchronized关键字原理分析一

最新推荐文章于 2023-08-11 20:25:49 发布

毓鹏

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分类专栏： java

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本文深入探讨Java对象头的内部结构，包括markword和klassword的作用，以及它们如何影响对象的状态，如无锁、轻量锁和重量锁。通过JOL工具分析对象布局，揭示了对象头如何存储hashcode、GC信息和锁状态，为理解Java内存模型和锁升级机制提供了详实的资料。

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在说synchronized内置锁之前，首先先来研究一下对象头，因为所谓锁便是给对象一个标识，而这个标识便是存在对象头当中。
对象：对象头 + 实例数据 + 填充数据
对象头:markword + classpoint

一、对象头

接下来看下面的一张图
在这里插入图片描述
意思是java的对象头在对象的不同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标记状态。那么我可以理解java当中的取锁其实可以理解是给对象上锁，也就是改变对象头的状
态，如果上锁成功则进入同步代码块。但是java当中的锁有分为很多种，从上图可以看出大体分为偏向
锁、轻量锁、重量锁三种锁状态。这三种锁的效率完全不同，我们只有合理的设计代码，才能合理的利
用锁、那么这三种锁的原理是什么?所以我们需要先研究这个对象头。

二、java对象的布局以及对象头

1.JOL来分析java的对象布局

首先maven添加JOL的依赖

<dependency> <groupId>org.openjdk.jol</groupId> <artifactId>jol-core</artifactId>5 <version>0.9</version> </dependency>

A.java 源码

package com.enjoy.entity; public class A { }

JOLExample1.java

package com.enjoy.test; 
import com.enjoy.entity.A; 
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout; 
import org.openjdk.jol.vm.VM;

public class Test1 { static A a= new A(); 
	public static void main(String[] args) { 		
      	System.out.println(VM.current().details()); 
      	System.out.println(ClassLayout.parseClass(A.class).toPrintable());
      	System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); 
	} 
}

运行结果：
在这里插入图片描述
分析结果1
整个对象一共16B，其中对象头（Object header）12B，还有4B是对齐的字节（因为在64位虚拟机上
对象的大小必须是8的倍数）,由于这个对象里面没有任何字段，故而对象的实例数据为0B；两个问题
1、什么叫做对象的实例数据呢？
2、那么对象头里面的12B到底存的是什么呢？
首先要明白什么对象的实例数据很简单，我们可以在A当中添加一个boolean的字段，大家都知道
boolean字段占1B，然后再看结果
A.java

package com.enjoy.entity; public class A { boolean f; }

运行结果2
在这里插入图片描述
分析结果2
整个对象的大小还是没有改变一共16B，其中对象头（Object header）12B，boolean字段f（对象的
实例数据）占1B、剩下的3B就是对齐字节。由此我们可以认为一个对象的布局大体分为三个部分分别
是对象头（Object header）、对象的实例数据字节对齐；

对象布局：
在这里插入图片描述
接下来讨论第二个问题，对象头为什么是12B？这个12B当中分别存储的是什么呢？

2、大小端模式

再接着往下研究对象的时候先要高明白大小端存储，一般家用笔记本都是小端模式，那么什么是小端模式呢？
高字节存在高地址，低字节存在低地址
其实说白了它就是倒着存储的，比如int a = 1占4个字节，转化成二进制就是00000000 00000000 00000000 00000001，小端存储就是
00000001 00000000 00000000 00000000。
在这里插入图片描述

3、对象头的规范

link.
首先引用openjdk文档当中对对象头的解释
上述引用中提到一个java对象头包含了2个word，并且好包含了堆对象的布局、类型、GC状态、同步状
态和标识哈希码，具体怎么包含的呢？又是哪两个word呢？
对象头的结构大概如下图
在这里插入图片描述
mark word为第一个word根据文档可以知他里面包含了锁的信息，hashcode，gc信息等等，第二个word是什么呢？
klass word为对象头的第二个word主要指向元空间中对象的数据，他是一个指针；

假设我们理解一个对象头主要上图两部分组成（数组对象除外，数组对象的对象头还包含一个数组长度），那么一个java的对象头多大呢？我们从JVM的源码注释中得知到一个mark word一个是64bit，那么klass的长度是多少呢？（12-8=4byte）所以我们需要想办法来获得java对象头的详细信息，验证一下他的大小，验证一下里面包含的信息是否正确。
根据上述利用JOL打印的对象头信息可以知道一个对象头是12B，其中8B是mark word 那么剩下的4B就是klass word了，和锁相关的就是mark word了，那么接下来重点分析mark word里面信息
在无锁的情况下markword当中的前56bit存的是对象的hashcode，那么来验证一下

java代码

public class Test1 { static A a= new A(); 
//-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
	log.debug("----hashcode before"); 
	log.debug(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); //转化成16进制，方便比较
	log.debug(Integer.toHexString(a.hashCode())); 
	log.debug("----hashcode after"); //计算完hashcode之后的a对象的布局
	log.debug(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); 
	} 
}

运行结果
在这里插入图片描述
分析结果3：
没有进行hashcode之前的对象头信息，可以看到2b-8b之前的的56bit是没有值，打印完hashcode之后行就有值了，为什么是2-8B，不应该是1-7B呢？因为是小端存储。那么第一个字节当中的八位分别存的就是分带年龄、偏向锁信息，和对象状态，这个8bit分别表示的信息如下图;这个图会随着对象状态改变,下图是无锁状态下
在这里插入图片描述
其中的是否可偏向标识在无锁情况下会根据是否计算hashcode而变化；因为如果计算了hashcode之后对象便变得不可偏向；为什么？
关于对象状态一共分为五种状态，分别是无锁不可偏向、无锁可向锁、轻量锁、重量锁、GC标记，那么2bit，如何能表示五种状态（2bit最多只能表示4中状态分别是：01,00,10,11），jvm做的比较好的是把是否可偏向表示为一个状态，然后根据图中偏向锁的标识再去标识是可偏向的还是不可偏向的