为什么要学习Java对象头

学习Java对象头主要是为了解synchronized底层原理,synchronized锁升级过程,Java并发编程等。

JAVA对象头

由于Java面向对象的思想,在JVM中需要大量存储对象,存储时为了实现一些额外的功能,需要在对象中添加一些标记字段用于增强对象功能,这些标记字段组成了对象头。

在HotSpot虚拟机中,对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:对象头(Header),实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

也就是说 JAVA对象 = 对象头 + 实例数据 + 对象填充。

其中,对象头由两部分组成,一部分用于存储自身的运行时数据,称之为 Mark Word,另外一部分是类型指针,及对象指向它的类元数据的指针。

对象头 = Mark Word + 类型指针

(未开启指针压缩的情况下)

在32位系统中,Mark Word = 4 bytes = 32 bits,对象头 = 8 bytes = 64 bits;

在64位系统中,Mark Word = 8 bytes = 64 bits ,对象头 = 16 bytes = 128bits;

bytes 是字节,bits 是位。所以说,在32位JVM虚拟机系统中,Mark Word部分,占了4个字节,Klass Word部分也占了4个字节,所以,对象头大小为8个字节。在64位JVM虚拟机系统中,Mark Word部分,占了8个字节,Klass Word部分也占了8个字节,所以,对象头大小为16个字节。

32位虚拟机对象头

32位虚拟机普通对象的对象头

|-----------------------------------------------------------|
| Object Header (64 bits) |
|---------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (32 bits) | Klass Word (32 bits) |
|---------------------------------|-------------------------|

32位虚拟机数组对象的对象头

|---------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header (96 bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
| Mark Word(32bits) | Klass Word(32bits) | array length(32bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|

32位虚拟机对象头详情如下

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header(64bits) |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Mark Word(32bits) | Klass Word(32bits) | State |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| hashcode:25 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | OOP to metadata object | Nomal |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | OOP to metadata object | Biased |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ptr_to_lock_record:30 | 00 | OOP to metadata object | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:30 | 10 | OOP to metadata object | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | 11 | OOP to metadata object | Marked for GC |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

64位虚拟机对象头

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header(128bits) |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Mark Word(64bits) | Klass Word(64bits) | State |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| unused:25|identity_hashcode:31|unused:1|age:4|biase_lock:0| 01 | OOP to metadata object | Nomal |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| thread:54| epoch:2 |unused:1|age:4|biase_lock:1| 01 | OOP to metadata object | Biased |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ptr_to_lock_record:62 | 00 | OOP to metadata object | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:62 | 10 | OOP to metadata object | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| | 11 | OOP to metadata object | Marked for GC |
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

lock:2位的锁状态标记位,由于希望用尽可能少的二进制位表示尽可能多的信息,所以设置了lock标记。该标记的值不同,整个mark word表示的含义不同。

biased_lock lock 状态
0 01 无锁
1 01 偏向锁
0 00 轻量级锁
0 10 重量级锁
0 11 GC标记

biased_lock:对象是否启用偏向锁标记,只占1个二进制位。为1时表示对象启用偏向锁,为0时表示对象没有偏向锁。

age:4位的Java对象年龄。在GC中,如果对象在Survivor区复制一次,年龄增加1。当对象达到设定的阈值时,将会晋升到老年代。默认情况下,并行GC的年龄阈值为15,并发GC的年龄阈值为6。由于age只有4位,所以最大值为15,这就是-XX:MaxTenuringThreshold选项最大值为15的原因。

identity_hashcode:25位的对象标识Hash码,采用延迟加载技术。调用方法System.identityHashCode()计算,并会将结果写到该对象头中。当对象被锁定时,该值会移动到管程Monitor中。

thread:持有偏向锁的线程ID。

epoch:偏向时间戳。

ptr_to_lock_record:指向栈中锁记录的指针。

ptr_to_heavyweight_monitor:指向管程Monitor的指针。

如何查看对象头

查看对象头,就需要用到借助JOL工具。

<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.10</version>
</dependency>
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;
import static java.lang.System.out; public class TestBiased {
public static void main(String[] args) {
Dog d= new Dog();
//打印JVM的详细信息
out.println(VM.current().details());
//打印对应的对象头信息
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}
} class Dog {
}

打印,大概如下。

21:46:08.204 c.TestBiased [main] - # Running 64-bit HotSpot VM.
# Objects are 8 bytes aligned.
# Field sizes by type: 8, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
# Array element sizes: 8, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes] 21:46:08.215 TestBiased [main] - cn.itcast.test.Dog object internals:
OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE
0 4 (object header) 01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)
4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
8 4 (object header) 50 c8 e1 3f (01010000 11001000 11100001 00111111) (1071761488)
12 4 (object header) 71 01 00 00 (01110001 00000001 00000000 00000000) (369)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total

如果打印不一样,可以加VM options参数-XX:-UseCompressedOops,关闭指针压缩。

要看懂VALUE这串数还得了解一下小端存储

一个对象创建时:

如果开启了偏向锁(默认开启),那么对象创建后,markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101,这时它的

thread、epoch、age 都为 0

偏向锁是默认是延迟的,不会在程序启动时立即生效,如果想避免延迟,可以加 VM 参数

-XX:BiasedLockingStartupDelay=0 来禁用延迟

如果没有开启偏向锁,那么对象创建后,markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001,这时它的 hashcode、

age 都为 0,第一次用到 hashcode 时才会赋值

参考

memory-efficient-java

深入理解Java的对象头mark word

Java对象头详解

java校招面试

Java对象结构与锁实现原理及MarkWord详解

干掉面试官1-synchronized底层原理(从Java对象头说到即时编译优化)

探究java对象头——大端存储与小端存储

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