JVM中的锁(上)：对象头和锁

柔光的暖阳◎ 2022-12-21 10:52 155阅读 0赞

**目录**

Java对象头

Mark Word

JVM中的锁

偏向锁

轻量级锁

--------------------

以前的日志里总结过Java中锁的应用，在多线程编程专栏里，JVM内部对锁进行了一些优化，所以在Java程序中使用锁很方便，接下来的日志就总结下锁在虚拟机里的实现和优化。锁的作用简单来说是为了保护多线程访问同一内容，也就是临界区内容时，因多个线程同时读，写入操作导致数据一致性出现问题，为了保证事务执行前和执行后数据的完整性没有遭到破坏，可以通过给对象加锁来让多线程按顺序逐一访问临界区，这样大家访问到的资源总是正确的。

## Java对象头 ##

首先来看对象头，JVM中有关锁的信息都存放在Java对象的对象头里面，除了锁的状态外，还包括一些对象的年龄，对象哈希值，如果对象是数组的话还有数组的长度等，每一个Java对象都有对象头，组成有三部分：  
1、Mark Word，存储了对象的锁信息，锁状态，对象年龄，哈希值和线程拥有者等。  
2、Class Pointer：存储了对象的一些指针信息，如该对象的类元数据()，JVM可以通过其来确定对象是属于哪一个类。  
3、Array Length：如果对象是一个数组对象，那么对象头中就会有这一部分，用来存储数组的长度，它的长度和JVM一个字的大小(注意是一个字的大小，不是一个字节的大小)一致，如果在32位的JVM环境下就占32位，在64位下大小就占64位。  
这三部分组成中最重要的是Mark Word，因为对象占用了什么锁，锁的状态信息都存放在了这里面。

### Mark Word ###

Mark Word中用lock标记来记录锁的状态，大小占两位， biased\_lock记录对象是否使用了偏向锁（偏向锁下面会总结），大小占一位。lock和biased\_lock两者配合一起表示锁的状态，例如biased\_lock值为0，lock值为01时表示对象处于无锁状态：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

还有一些标记例如age，大小占4位，表示对象的年龄，每当对象经历了一次GC后，年龄就会+1，由于age大小4位最大值1111等于15，所以对象的年龄最大到15就会转为老年代。还有thread标记，这个很简单，就是标记线程id。前面说到Mark Word中还存储了对象的哈希值，用的是identity\_hashcode标记为，举些例子，如果对象头的格式是这样的：

thread:12 | age:3 | biased\_lock:1 | 01

表示线程id为12，对象年龄等于3，持有偏向锁。

identity\_hashcode:25 | age:4 | biased\_lock:0 | 00

表示有25位标识的哈希值，对象年龄等于4，持有轻量级锁。

## JVM中的锁 ##

看完对象头，往下看虚拟机中对锁的一些实现，Java程序中对于多线程的同步操作并不是全部交由操作系统来完成的，JVM也会 参与进来，例如遇到线程访问临界区资源但没能获得锁而等待时，JVM不会立刻让操作系统挂起线程，而是做一些例如自旋操作，让线程尽可能拿到锁，这样做的目的是尽可能提高程序运行速度，因为线程拿不到锁后进入阻塞态，等待下一次获取锁后进入就绪态再到运行态，这一系列动作需要耗费较大的性能和时间。

### 偏向锁 ###

首先来看偏向锁，它的做法是，如果一个线程A获取了锁对象，那么这个锁对象就进入了偏向状态，Mark Word中标记为biased\_lock:1 | 01，同时经过CAS无锁交换比较（compare and swap）操作后记录线程id，线程执行完释放锁之后，如果想要再次获得该锁对象，则不需要再进行加锁，cas等同步操作。当然，如果有其他线程试图去获取该锁对象时，这个偏向状态就会失效。来看一个例子：

public class BiasedLockDemo {
    
    	public static List<Integer> integerList = new Vector<Integer>();
    	
    	public static void main(String[] args) {
    		int num = 0;
    		
    		long beginTime = System.currentTimeMillis();
    		for(int i=0; i<9000000; i++) {
    			integerList.add(num);
    			num++;
    		}
    		
    		long endTime = System.currentTimeMillis();
    		System.out.println("耗时: " + (endTime - beginTime));
    	}
    
    }

例子中使用动态数组Vector类，因为这个类的操作是同步操作，对它进行写入时内部会用到锁，我们不断地向数组里添加数据，运行时程序每一次add（）操作都需要先获得锁，浪费不少时间：

![20201116092834689.PNG][]

如果我们使用偏向锁，那么从第一次获得该锁对象后，下一次程序再次访问该资源时，就不需要同步操作，可以直接写入，来试下用参数-XX:UseBiasedLocking –XX:BiasedLockingStartupDelay=0 –client，启用偏向锁，并且让JVM在启动后就立刻使用偏向锁，执行程序：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

可以看到，程序执行时间有了提升，因为少了很多同步操作。使用偏向锁的目的就是为了在一些多线程访问同一临界资源较少，对锁的竞争不大的的情境下，可以提升程序效率，不足就是，在多线程竞争锁很频繁的情境下，偏向锁的作用就不大了，因为多线程不停申请同一把锁对象，偏向锁的状态几乎得不到保持，锁状态会不停被切换，带来的性能提升微乎其微。

### 轻量级锁 ###

轻量级锁在JVM内部实现用的是BasicObjectLock类，类里面有轻量锁对象BasicLock，线程如果获取偏向锁失败，就会转去申请轻量级锁，轻量级锁的就是先让线程进行CAS操作来同步，期间还会将原来对象的Mark Word进行备份，然后复制BasicLock的地址到Mark Word中，如果BasicLock地址复制成功，表示线程处于轻量级锁状态，Mark Word中标记lock为00。如果地址复制失败，先会去判断线程是否之前就已经获得了锁对象，如果是就直接进入同步块，如果没有，则表明有多个线程在获取同一对象，此时轻量级锁就会膨胀成重量级锁。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221120/cff51ed411fb4a68a2c46a5e82b176ad.png
[20201116092834689.PNG]: /images/20221120/63518c693c284377901396fb2dc5d8f0.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221120/85a90cd480064cdda1c5d9a97edf4239.png