java对象头信息和三种锁的性能对比

java头的信息分析

首先为什么我要去研究java的对象头呢？ 这里截取一张hotspot的源码当中的注释

这张图换成可读的表格如下

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|                                              Object Header ( bits)                                        |
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|                        Mark Word ( bits)                                    |      Klass Word ( bits)    |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
|  unused: | identity_hashcode: | unused: | age: | biased_lock: | lock: |     OOP to metadata object   |  无锁
|----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------|
|  thread: |         epoch:      | unused: | age: | biased_lock: | lock: |     OOP to metadata object   |  偏向锁
|----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------|
|                     ptr_to_lock_record:                            | lock: |     OOP to metadata object   |  轻量锁
|----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------|
|                     ptr_to_heavyweight_monitor:                    | lock: |     OOP to metadata object   |  重量锁
|----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------|
|                                                                      | lock: |     OOP to metadata object   |    GC
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

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、关于效率的分析会在下文分析，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。

java对象的布局以及对象头的布局

使用JOL来分析java的对象布局,添加依赖

　　　　<dependency>
            <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
            <artifactId>jol-core</artifactId>
            <version>0.8</version>
        </dependency>

测试类

public class B {

}

public class JOLExample1 {
    static  B b = new B();
    public static void main(String[] args) {
        //jvm的信息
        out.println(VM.current().details());
        out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
    }
}

看下结果

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B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

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flag（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）、 对象的实例数据和字节对齐

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？（不同位数的VM对象头的长度不一 样，这里指的是64bit的vm）

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？

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主要指向对象的元数据。

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？

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

先上代码:手动计算HashCode

public class HashUtil {
    public static void countHash(Object object) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        // 手动计算HashCode
        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        field.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        long hashCode = 0;
        for (long index = 7; index > 0; index--) {
            // 取Mark Word中的每一个Byte进行计算
            hashCode |= (unsafe.getByte(object, index) & 0xFF) << ((index - 1) * 8);
        }
        String code = Long.toHexString(hashCode);
        System.out.println("util-----------0x"+code);
    }
}

public class JOLExample2 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        B b = new B();
        out.println("befor hash");
        //没有计算HASHCODE之前的对象头
        out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
        //JVM 计算的hashcode
        out.println("jvm------------0x"+Integer.toHexString(b.hashCode()));
        HashUtil.countHash(b);
        //当计算完hashcode之后，我们可以查看对象头的信息变化
        out.println("after hash");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());

    }
}

分析结果3：

1-----上面没有进行hashcode之前的对象头信息，可以看到的56bit没有值，打印完hashcode之后就有值了，为什 么是1-7B，不是0-6B呢？因为是小端存储。

其中两行是我们通过hashcode方法打印的结果，第一行是我根据1-7B的信息计算出来的 hashcode，所以可以确定java对象头当中的mark work里面的后七个字节存储的是hashcode信息，

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（其实上图也有信息），这个图会随着对象状态改变而改变， 下图是无锁状态下

关于对象状态一共分为五种状态，分别是无锁、偏向锁、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：00,01,10,11），

jvm做的比较好的是把偏向锁和无锁状态表示为同一个状态，然 后根据图中偏向锁的标识再去标识是无锁还是偏向锁状态。

什么意思呢？写个代码分析一下，在写代码之前我们先记得 无锁状态下的信息00000001，然后写一个偏向锁的例子看看结果

public static void main(String[] args) throws Exception {
    //-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
    B b = new B();
    out.println("befor lock");
    out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
    synchronized (b){
        out.println("lock ing");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
    }
    out.println("after lock");
    out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
}

上面这个程序只有一个线程去调用sync方法，故而讲道理应该是偏向锁，但是此时却是轻量级锁

而且你会发现最后输出的结果（第一个字节）依 然是00000001和无锁的时候一模一样，其实这是因为虚拟机在启动的时候对于偏向锁有延迟，

比如把上述代码当中加上 睡眠5秒的代码,结果就会不一样了，

public static void main(String[] args) throws Exception {
        //-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
        Thread.sleep(5000);
        B b = new B();
        out.println("befor lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
        synchronized (b){
            out.println("lock ing");
            out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
        }
        out.println("after lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
    }

结果变成00000101.当然为了方便测试我们也可以直接通过JVM的参数来禁用延迟

-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

结果是和睡眠5秒一样的.

想想为什么偏向锁会延迟？因为启动程序的时候,jvm会有很多操作,包括gc等等,jvm刚运行时存在大量的同步方法,很多都不是偏向锁,

而偏向锁升级为轻/重量级锁的很费时间和资源,因此jvm会延迟4秒左右再开启偏向锁.

那么为什么同步之前就是偏向锁呢?我猜想是jvm的原因,目前还不清楚.

需要注意的after lock，退出同步后依然保持了偏向信息

然后看下轻量级锁的对象头

static A a;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        a = new A();
        out.println("befre lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        synchronized (a){
            out.println("lock ing");
            out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        }
        out.println("after lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
    }

看结果:

关于重量锁首先看对象头

static A a;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //Thread.sleep(5000);
        a = new A();
        out.println("befre lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//无锁

        Thread t1= new Thread(){
            public void run() {
                synchronized (a){
                    try {
                        Thread.sleep(5000);
                        System.out.println("t1 release");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        };
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        out.println("t1 lock ing");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//轻量锁
        sync();
        out.println("after lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//重量锁
        System.gc();
        out.println("after gc()");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//无锁---gc
    }

    public  static  void sync() throws InterruptedException {
        synchronized (a){
            System.out.println("t1 main lock");
            out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//重量锁
        }
    }

看结果

 由上述实验可总结下图:

性能对比偏向锁和轻量级锁：

public class A {
    int i=0;

    public synchronized void parse(){
        i++;

    }
    //JOLExample6.countDownLatch.countDown();
}

执行1000000000L次++操作

public class JOLExample4 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        A a = new A();
        long start = System.currentTimeMillis();
        //调用同步方法1000000000L 来计算1000000000L的++，对比偏向锁和轻量级锁的性能
        //如果不出意外，结果灰常明显
        for(int i=0;i<1000000000L;i++){
            a.parse();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(String.format("%sms", end - start));

    }
}

此时根据上面的测试可知是轻量级锁,看下结果

大概16秒

然后我们让偏向锁启动无延时,在启动一次

-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0

再看下结果

只需要2秒,速度提升了很多

再看下重量级锁的时间

static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000000000);
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final A a = new A();

        long start = System.currentTimeMillis();

        //调用同步方法1000000000L 来计算1000000000L的++，对比偏向锁和轻量级锁的性能
        //如果不出意外，结果灰常明显
        for(int i=0;i<2;i++){
            new Thread(){
                @Override
                public void run() {
                    while (countDownLatch.getCount() > 0) {
                        a.parse();
                    }
                }
            }.start();
        }
        countDownLatch.await();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(String.format("%sms", end - start));

    }

看下结果,大概31秒,

可以看出三种锁的消耗是差距很大的,这也是1.5以后synchronized优化的意义

需要注意的是如果对象已经计算了hashcode就不能偏向了

static A a;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread.sleep(5000);
        a= new A();
        a.hashCode();
        out.println("befor lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        synchronized (a){
            out.println("lock ing");
            out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        }
        out.println("after lock");
        out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
    }

看下结果