Java中的对象头（Object Header）与锁优化机制详解

一、知识描述

在Java中，每个对象在内存中都包含一个对象头（Object Header）。对象头记录了对象的元数据信息，是JVM进行内存管理、垃圾回收、锁优化和多线程同步的关键数据结构。理解对象头的内容和布局，是深入学习Java并发、内存模型和JVM优化的基础。对象头中尤其重要的部分是Mark Word，它在不同锁状态（如无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁）下会存储不同的信息，以支持高效的锁优化机制。

二、对象头（Object Header）的组成

一个典型的Java对象在内存中（以64位JVM为例，未开启指针压缩）的结构如下：

注意：在64位JVM开启指针压缩（默认开启，-XX:+UseCompressedOops）时，Klass Pointer会压缩为4字节；Mark Word在32位JVM中占4字节，64位JVM占8字节。

三、Mark Word的详细结构

Mark Word是对象头的核心，其内容会随着锁状态的变化而复用同一块内存空间（在不同状态下存储不同的信息）。以64位JVM为例，Mark Word的结构如下（图中每个小格代表1个比特位，总共64位）：

|-----------------------------------------------------------------------|
|                          Mark Word (64 bits)                          |
|-----------------------------------------------------------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 |
|-----------------------------------------------------------------------|

• 这是无锁状态下的布局：
  • hashcode:31：对象的哈希码（第一次调用hashCode()方法时计算并存储）。
  • age:4：对象的分代年龄（用于GC，Young GC存活一次年龄+1，达到阈值晋升老年代）。
  • biased_lock:1：是否启用偏向锁（1表示启用，0表示禁用）。
  • lock:2：锁标志位，这里是01（无锁状态）。

当锁状态变化时，Mark Word的布局会完全改变，以存储不同信息：

四、锁优化机制详解

Java的synchronized锁从无锁到重量级锁的升级过程，就是基于Mark Word的变化实现的。这个过程是不可逆的升级（偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁），目的是在保证线程安全的同时减少锁开销。

1. 无锁状态

• 对象刚创建时，默认处于无锁状态。
• 如果对象没有重写hashCode()，则第一次调用该方法时才会计算哈希码并存入Mark Word。

2. 偏向锁

• 目的：在没有竞争的情况下，消除整个同步的开销（如synchronized方法）。
• 原理：
  • 当第一个线程访问同步块时，会在Mark Word中记录该线程的ID（54位，实际是当前线程指针的哈希），并将偏向锁标志位设为1。
  • 之后该线程再进入同步块时，只需检查Mark Word中线程ID是否为自己，如果是则直接执行，无需任何原子操作。
• 批量重偏向/撤销：
  • 如果多个线程竞争，但偏向锁不是同一个线程，JVM会批量重偏向（Bulk Rebias）或批量撤销（Bulk Revoke），避免频繁锁升级。
• 延迟启用：JVM启动后偏向锁默认延迟4秒启用（避免启动时竞争激烈）。

3. 轻量级锁

• 触发条件：当有另一个线程尝试获取偏向锁时（说明有竞争），偏向锁会升级为轻量级锁。
• 加锁过程：
  • 在当前线程的栈帧中创建锁记录（Lock Record），将Mark Word复制到锁记录中（Displaced Mark Word）。
  • 通过CAS操作尝试将对象头的Mark Word替换为指向锁记录的指针。
  • 如果成功，当前线程获得锁；如果失败（说明有竞争），会自旋尝试（忙等待）。
• 解锁过程：用CAS将Displaced Mark Word替换回对象头，如果成功则解锁；如果失败，说明已升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程。

4. 重量级锁

• 触发条件：轻量级锁自旋失败（默认自旋10次，可用-XX:PreBlockSpin调整）或等待线程数太多（超过CPU核心数的一半）。
• 原理：
  • 对象头中的Mark Word会指向一个监视器（Monitor），即操作系统层面的互斥量（mutex）。
  • 线程会进入操作系统的等待队列，由操作系统进行调度，涉及用户态到内核态的切换，开销大。
• 适用场景：高并发、长时间持有的锁。

五、锁优化示例与调试

可以通过查看对象的内存布局来验证锁状态变化。使用OpenJDK的jol-core工具（Java Object Layout）：

1. 添加依赖（Maven）：

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.16</version>
</dependency>

2. 示例代码：

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class ObjectHeaderExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object obj = new Object();
        
        // 1. 无锁状态
        System.out.println("=== 无锁状态 ===");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
        
        // 2. 偏向锁（需等待偏向锁延迟结束）
        Thread.sleep(5000); // 等待偏向锁启用
        Object biasedObj = new Object();
        synchronized (biasedObj) {
            System.out.println("=== 偏向锁状态 ===");
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(biasedObj).toPrintable());
        }
        
        // 3. 轻量级锁
        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                System.out.println("=== 轻量级锁状态 ===");
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
            }
        }).start();
    }
}

输出示例：

=== 无锁状态 ===
java.lang.Object 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)
...
# lock:01, biased_lock:0 → 无锁

=== 偏向锁状态 ===
java.lang.Object object internals:
OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION              VALUE
     0     4        (object header)          05 30 40 1b (00000101 00110000 01000000 00011011) (456262661)
...
# lock:01, biased_lock:1 → 偏向锁

六、重要参数与调优

JVM提供了一些参数来控制锁行为：

• -XX:+UseBiasedLocking：启用偏向锁（JDK 15后默认禁用，因为现代应用竞争激烈，偏向锁收益低）。
• -XX:BiasedLockingStartupDelay=4000：偏向锁延迟启用时间（毫秒）。
• -XX:+PrintFlagsFinal：查看所有JVM参数默认值。

七、总结

1. 对象头是JVM管理对象的核心数据结构，包含Mark Word和类指针。
2. Mark Word在不同锁状态下复用存储空间，存储哈希码、锁标志、线程ID等信息。
3. 锁升级路径：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁，目的是在竞争程度不同时平衡性能。
4. 偏向锁适合无竞争场景，轻量级锁适合低竞争短时间同步，重量级锁适合高竞争。
5. 可通过jol-core工具查看对象内存布局，结合JVM参数进行调优。

思考：为什么JDK 15后默认禁用了偏向锁？（因为维护偏向锁需要额外开销，而现代多线程应用竞争激烈，偏向锁反而会带来性能下降，且撤销成本高。）