Java对象内置结构1.Java对象的三个部分1.1.对象头1.2.对象体1.3.对齐字节

2.对象结构中核心字段的作用2.1.MarkWord(标记字)2.2.Class

3.Mark

4.使用JOL工具查看对象的布局4.1.引入依赖4.2.编写对象布局分析的测试代码4.3.输出结果解读4.4.大小端问题

5.Java中的内置锁5.1.无锁状态5.2.偏向锁状态5.3.轻量级锁状态5.4.重量级锁状态

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

1.1.对象头

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

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

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

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

2.3.Array

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

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

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。

Word字段结构

**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。

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。

**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。

**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。

**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。

**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。

**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。

**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。

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

4.1.引入依赖

https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jol/jol-core

dependencygroupIdorg.openjdk.jol/groupIdartifactIdjol-core/artifactIdversion0.10/version

/dependency

LoggerFactory.getLogger(JOLTest.class);TestDisplayName(测试JOL的使用)public

void

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

class

65,535无符号的16位Unicode字符类型。

int4-2,147,483,648

2,147,483,647有符号的32位整数类型。

float4IEEE

754

位单精度浮点数类型用于表示小数。

long8-9,223,372,036,854,775,808

9,223,372,036,854,775,807有符号的64位整数类型。

double8IEEE

754

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

Header12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。

对象头部object

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

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

10000000

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。

com.hrfan.java_se_base.base.thread.jol.Student对象的实例大小为16字节。

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。

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0x10000x120001

00100x340011

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

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

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;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.count;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

}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

}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。