Java对象头

以32位虚拟机为例：

普通对象

在Java虚拟机中，每个对象都有一个对象头（Object Header），其中包含了一些用于管理对象的元数据信息。对象头通常由两部分组成：mark word（标记字）和klass word（类指针字）。

Mark Word（标记字）：Mark Word是用于存储对象的运行时数据和锁相关的信息。它的具体结构和含义可能因不同的虚拟机实现而有所差异，但通常包含以下信息：

对象的哈希码（Hash Code）：用于快速比较对象是否相等。
GC相关信息：标记对象是否被垃圾回收器标记为可回收、是否被锁定等。
锁状态：用于支持对象的同步机制，如偏向锁、轻量级锁、重量级锁等。
并发标记：用于并发垃圾回收算法中的标记过程。

Klass Word（类指针字）：Klass Word是指向对象所属类的指针。它指向对象的类元数据（Class Metadata），包含了类的方法、字段、父类、接口等信息。通过Klass Word，可以确定对象的类型，并进行动态分派，即在运行时根据对象的实际类型调用相应的方法。

对象头中的mark word和klass word在Java虚拟机中起着重要的作用，用于管理对象的状态、锁定机制和类型信息等。它们是实现Java语言特性和虚拟机功能的关键元素。

通过看对象头的位数，占8个字节

其中int占 4 个字节，Integer 占用4个字节 + 8个字节的对象头，一个Integer大int三倍，所以在内存很敏感的场景，建议使用int。

Mark Word结构

这个部分后面再详细讲解，这里其实可以理解为各种锁的状态

Monitor原理

Monitor 被翻译为监视器或管程

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

Monitor 结构如下

刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个 Owner
在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入EntryList BLOCKED
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲wait-notify 时会分析

注意：

synchronized 必须是进入同一个对象（每个对象关联一个monitor ）的 monitor 才有上述的效果
不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

synchronized 原理

static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
 synchronized (lock) {
 counter++;
 }
}

对应的字节码为：

public static void main(java.lang.String[]);
 descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
 flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
 stack=2, locals=3, args_size=1
 0: getstatic #2 // <- lock引用 （synchronized开始）拿到lock锁
 3: dup     // 复制一份
 4: astore_1 // lock引用 -> slot 1 将其存储到临时变量slot1里面，以后解锁时使用
 5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
 6: getstatic #3 // <- i
 9: iconst_1 // 准备常数 1
 10: iadd // +1
 11: putstatic #3 // -> i     6 9 10 11 做的是i++操作
 14: aload_1 // <- lock引用 拿到slot1中临时的引用地址了
 15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
 16: goto 24  // 执行到24 代码就结束了
 19: astore_2 // e -> slot 2 
 20: aload_1 // <- lock引用
 21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
 22: aload_2 // <- slot 2 (e)
 23: athrow // throw e    而19~23涉及到 发生异常时 锁时如何释放的
 24: return
 Exception table:
 from to target type
 6 16 19 any
 19 22 19 any
 LineNumberTable:
 line 8: 0
 line 9: 6
 line 10: 14
 line 11: 24
 LocalVariableTable:
 Start Length Slot Name Signature
 0 25 0 args [Ljava/lang/String;
 StackMapTable: number_of_entries = 2
 frame_type = 255 /* full_frame */
 offset_delta = 19
 locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]
 stack = [ class java/lang/Throwable ]
 frame_type = 250 /* chop */
 offset_delta = 4

从头开始读这段字节码：本质上就是获取锁，保存引用，然后讲锁对象的markword与monitor关联，然后执行锁中的内容，最终锁内容结束，释放并唤醒EntryList中的其他线程。

synchronized进阶小故事

老王 - JVM
小南 - 线程
小女 - 线程
房间 - 对象
房间门上 - 防盗锁 - Monitor
房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向

小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是防盗锁（monitor），当上下文切换时，锁住门。这样，即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。

但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？

小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式。

后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍然觉得麻烦。

于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，下次来用房间时，只要名字还在，那么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦掉，升级为挂书包的方式。

同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老王觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字

后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包

synchronized 原理进阶

轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争，如果有竞争会升级为重量级锁），那么可以使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
 synchronized( obj ) {
 }
}

创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word

让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录

锁记录替换对象头中的MarkWord

如果 cas 替换成功，对象头中存储了锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下

如果 cas 失败，有两种情况

如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
 synchronized( obj ) {
 // 同步块 A
 method2();
 }
}
public static void method2() {
 synchronized( obj ) {
 // 同步块 B
 }
}

当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一

当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头

成功，则解锁成功
失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

剑指JUC原理-5.synchronized底层原理（下）:https://developer.aliyun.com/article/1413606

剑指JUC原理-5.synchronized底层原理（上）