java并发编程——JAVA对象头（含32位虚拟机与64位虚拟机）

- 日理万妓 2022-12-11 15:00 118阅读 0赞

# 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]，synchronized锁升级过程，Java并发编程等。  
![在这里插入图片描述][2020100300080988.png]

# 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

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    |                    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。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="center">biased_lock</th> 
   <th align="center">lock</th> 
   <th align="center">状态</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="center">0</td> 
   <td align="center">01</td> 
   <td align="center">无锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">1</td> 
   <td align="center">01</td> 
   <td align="center">偏向锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">0</td> 
   <td align="center">00</td> 
   <td align="center">轻量级锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">0</td> 
   <td align="center">10</td> 
   <td align="center">重量级锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="center">0</td> 
   <td align="center">11</td> 
   <td align="center">GC标记</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**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

# 参考 #

[memory-efficient-java][]  
[深入理解Java的对象头mark word][Java_mark word]  
[Java对象头详解][Java]  
[java校招面试][java]  
[Java对象结构与锁实现原理及MarkWord详解][Java_MarkWord]  
[干掉面试官1-synchronized底层原理（从Java对象头说到即时编译优化）][1-synchronized_Java]  
[探究java对象头——大端存储与小端存储][java 1]

[synchronized]: https://blog.csdn.net/e891377/article/details/108855464
[2020100300080988.png]: /images/20221123/e29f621af573495f8db04af1f0650e24.png
[memory-efficient-java]: https://www.slideshare.net/cnbailey/memory-efficient-java
[Java_mark word]: https://blog.csdn.net/qq_36434742/article/details/106854061
[Java]: https://www.jianshu.com/p/3d38cba67f8b
[java]: https://gitee.com/moxi159753/LearningNotes/tree/master/%E6%A0%A1%E6%8B%9B%E9%9D%A2%E8%AF%95/JUC
[Java_MarkWord]: https://blog.csdn.net/scdn_cp/article/details/86491792
[1-synchronized_Java]: https://blog.csdn.net/lpf463061655/article/details/105149322
[java 1]: https://www.cnblogs.com/vincentYw/p/11972571.html