Java中的对象头（Object Header）详解

对象头是Java对象在内存中的一个重要组成部分，它存储了与对象运行时相关的元数据信息。理解对象头对于深入掌握Java内存布局、同步机制和垃圾回收等概念至关重要。

1. 对象头的概念与作用
对象头是每个Java对象实例在堆中分配内存时，位于对象起始位置的一段固定大小的数据区域。它不存储对象的实际数据，而是保存JVM用于管理对象所需的元数据，主要包括两类信息：Mark Word（标记字段）和Klass Pointer（类型指针）。

2. 对象头的组成结构
对象头由两部分组成，其具体内容会根据JVM是否开启指针压缩（-XX:+UseCompressedOops，默认开启）而有所不同。

2.1 Mark Word（标记字段）

• 这是对象头中最关键的部分，长度在32位JVM上是32位（4字节），在64位JVM上是64位（8字节）。
• 它是一个多功能、可复用的字段，其内容会根据对象的状态动态变化，主要存储以下信息：
  • 哈希码（Identity HashCode）：对象的默认哈希值，一旦计算并存储，就不会再改变。
  • GC分代年龄（Generational GC Age）：对象在垃圾回收过程中经历的存活次数，用于分代回收算法（最大值通常是15，因为只占4位）。
  • 锁状态标志（Lock Flag）：表示对象的锁状态，是理解synchronized锁升级的关键。
  • 线程ID：持有偏向锁的线程ID。
  • 指向锁记录（Lock Record）的指针：在轻量级锁状态下，指向栈帧中的锁记录。
  • 指向重量级锁（Monitor）的指针：在重量级锁状态下，指向操作系统底层的互斥量（mutex）。

2.2 Klass Pointer（类型指针）

• 这个指针指向该对象的类元数据（Klass结构），JVM通过它来确定对象属于哪个类。
• 在64位JVM上，一个原生指针是64位（8字节）。但如果开启了指针压缩（默认），这个指针会被压缩到32位（4字节），以节省内存。

3. 对象头在不同锁状态下的变化（以64位JVM为例）
Mark Word就像一个“变色龙”，它的布局会根据对象的锁状态而改变。这是理解synchronized锁升级的核心。

3.1 无锁状态（Normal）

• 锁标志位（最后2位）：01
• 偏向锁标志位（倒数第3位）：0
• 此时，Mark Word主要存储对象的哈希码（如果已计算）和分代年龄。

3.2 偏向锁状态（Biased）

• 当一个线程第一次访问同步块时，JVM会将对象置为偏向锁状态。
• 锁标志位：01
• 偏向锁标志位：1
• 此时，Mark Word会记录持有偏向锁的线程ID和Epoch（时间戳），以及分代年龄。

3.3 轻量级锁状态（Lightweight Locked）

• 当有第二个线程尝试获取锁时（发生锁竞争），偏向锁会升级为轻量级锁。
• 锁标志位：00
• 此时，Mark Word不再存储哈希码等信息，而是存储一个指向当前线程栈帧中锁记录（Lock Record）的指针。线程通过CAS操作来竞争这个指针。

3.4 重量级锁状态（Heavyweight Locked）

• 如果轻量级锁的竞争加剧（自旋一定次数后仍未获取到锁），它会升级为重量级锁。
• 锁标志位：10
• 此时，Mark Word存储的是指向一个重量级锁对象（Monitor，也称为管程或互斥锁）的指针。这个Monitor由操作系统管理，线程竞争锁失败后会进入阻塞状态。

4. 对象头内存布局示例
假设在64位JVM上，开启了指针压缩，一个普通对象的内存布局如下：

[对象头 (12字节)] [实例数据] [对齐填充 (可选)]

• 对象头 = Mark Word (8字节) + Klass Pointer (4字节，压缩后) = 12字节。
• 由于JVM要求对象起始地址必须是8字节的整数倍（8字节对齐），如果对象总大小不是8的倍数，会添加对齐填充。

5. 如何查看对象头
虽然Java没有提供直接访问对象头的API，但我们可以使用工具来间接观察。最著名的是OpenJDK的jol（Java Object Layout）工具库。

示例代码：

1. 首先在项目中引入jol-core依赖（例如Maven）。
2. 使用以下代码查看一个简单对象的内存布局：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class ObjectHeaderExample {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        // 打印Object对象的内存布局
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }
}

输出可能类似于：

java.lang.Object object internals:
OFF  SZ   TYPE DESCRIPTION               VALUE
  0   8        (object header: mark)     0x0000000000000001 (non-biasable; age: 0)
  8   4        (object header: class)    0xf80001e5
 12   4        (object alignment gap)    
Instance size: 16 bytes

这个输出清晰地展示了对象头（mark和class）以及为了对齐而添加的填充。

总结
对象头是Java对象的“身份证”和“状态记录卡”。它体积虽小，但承载了哈希码、GC年龄、锁状态等至关重要的运行时信息。深入理解对象头的结构及其在不同锁状态下的变化，是掌握Java并发编程底层机制（如synchronized锁升级）和JVM内存管理的基石。通过jol这样的工具，我们可以将抽象的理论可视化，从而获得更深刻的认识。