《深入理解Java虚拟机》学习笔记-对象内存布局
1.概述
前面我们了解到Java中几乎所有的对象都存放在堆中,但我们并不知道对象是如何具体储存在堆中,接下来我们开始分析对象在堆内存中的储存布局是怎样的。
2.内存布局
对象在堆内存中的储存布局可以划分为三个部分
- 对象头(Header)
- 实例数据(Instance Data)
- 对齐填充(Padding)
2.1对象头
对象头部分包括两类信息。
第一类是用于储存对象自身的运行时数据,例如HashCode、GC分带年龄、所状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。这部分官方称它为"Mark Work"。为了虚拟机的空间效率,Mark Work被设计成一个动态定义的数据结构,在不同的锁标志位它的数据意义不同。在32位JVM中是这么存的。
其中无锁和偏向锁的锁标志位都是01,只是在前面的1bit区分了这是无锁状态还是偏向锁状态。
JDK1.6以后的版本在处理同步锁时存在锁升级的概念,JVM对于同步锁的处理是从偏向锁开始的,随着竞争越来越激烈,处理方式从偏向锁升级到轻量级锁,最终升级到重量级锁。
JVM一般是这样使用锁和Mark Word的:1,当没有被当成锁时,这就是一个普通的对象,Mark Word记录对象的HashCode,锁标志位是01,是否偏向锁那一位是0。
2,当对象被当做同步锁并有一个线程A抢到了锁时,锁标志位还是01,但是否偏向锁那一位改成1,前23bit记录抢到锁的线程id,表示进入偏向锁状态。
3,当线程A再次试图来获得锁时,JVM发现同步锁对象的标志位是01,是否偏向锁是1,也就是偏向状态,Mark
Word中记录的线程id就是线程A自己的id,表示线程A已经获得了这个偏向锁,可以执行同步锁的代码。4,当线程B试图获得这个锁时,JVM发现同步锁处于偏向状态,但是Mark
Word中的线程id记录的不是B,那么线程B会先用CAS操作试图获得锁,这里的获得锁操作是有可能成功的,因为线程A一般不会自动释放偏向锁。如果抢锁成功,就把Mark
Word里的线程id改为线程B的id,代表线程B获得了这个偏向锁,可以执行同步锁代码。如果抢锁失败,则继续执行步骤5。5,偏向锁状态抢锁失败,代表当前锁有一定的竞争,偏向锁将升级为轻量级锁。JVM会在当前线程的线程栈中开辟一块单独的空间,里面保存指向对象锁Mark
Word的指针,同时在对象锁Mark
Word中保存指向这片空间的指针。上述两个保存操作都是CAS操作,如果保存成功,代表线程抢到了同步锁,就把Mark
Word中的锁标志位改成00,可以执行同步锁代码。如果保存失败表示抢锁失败,竞争太激烈,继续执行步骤66,轻量级锁抢锁失败,JVM会使用自旋锁,自旋锁不是一个锁状态,只是代表不断的重试,尝试抢锁。从JDK1.7开始,自旋锁默认启用,自旋次数由JVM决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码,如果失败则继续执行步骤7。
7,自旋锁重试之后如果抢锁依然失败,同步锁会升级至重量级锁,锁标志位改为10。在这个状态下,未抢到锁的线程都会被阻塞。
第二类是类型指针,即对象指向它的类型元数据的指针,Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。
此外如果对象是一个Java数组,则需要额外一块用于标记数组长度的内存。用来确定Java对象的大小。
2.2实例对象
实例数据是对象真正存储的有效信息,即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容,包括父类继承下来的还有子类中定义的字段。
2.3对齐填充
这部分不是必须存在,只是起着占位符的作用。由于HotSpot虚拟机要求对象起始地址必须是8的整数倍,有些对象实例数据没有对齐的话,就需要对齐填充来补全。
3.对象的访问定位
上一篇我们学习笔记我们提到创建一个对象后,Java程序会通过栈上的引用来操作堆上的具体对象。具体这个引用通过什么方式去访问到堆中对象的具体位置主要有两种,一种是使用句柄和直接指针两种。我们主要讨论虚拟机HotSpot,它主要使用直接指针访问,它的好处就是比使用句柄更快,因为使用句柄需要先到句柄池才能找到对象实例数据的指针。而直接指针少了一次指针定位的时间开销。