面试官超级喜欢问的MarkWord-超级面试官

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前言

年底了，最近好几天没吃饭了，在微博吃瓜吃的饱饱的。

续上次被问到synchronized锁后，面试官继续刁难阿巴阿巴，进而深入到对象头中相关的概念。

当场拿offer

面试官：上次提到了synchronized锁，那你知道synchronized锁具体是怎么实现的吗?

阿巴阿巴：在JDK版本1.5及之前的版本synchronized主要靠的是Monitor对象来完成，同步代码块使用的是monitorenter和monitorexit指令，而synchronized修饰方法靠的是ACC_SYNCHRONIZED标识，这些都是进入到内核态进行加锁的，然后将竞争锁失败的线程直接挂起，等待后面恢复。

阿巴阿巴：在JDK1.6及之后的版本中，synchronized锁得到了优化，引入了自适应自旋锁、偏向锁、轻量锁，他们主要优化了锁在一定条件下的性能。避免了一上来就加重量级锁，等待锁的其他线程只能乖乖挂起，对cpu性能影响特别大。

阿巴阿巴：在hotspot虚拟机中，对象头主要包括两部分 MarkWord和Klass Pointer。

MarkWord 对象标记字段，默认存储的是对象的HashCode，GC的分代年龄(2bit最大表示15)和锁的标志信息等。对于32位的虚拟机MarkWord占32bit，对于64位的虚拟机MarkWord占用64字节。

Klass Pointer Class 对象的类型指针，它指向对象对应的Class对象的内存地址。大小占4字节(指针压缩的情况下为4字节，未进行指针压缩则占8字节)。32位虚拟机MarkWord分布

64位虚拟机MarkWord分布

图片来源https://blog.csdn.net/weixin_40816843/article/details/120811181

查看虚拟机是多少位的可以使用：java -version

面试官：我们怎么看对象头里的MarkWord数据呢?

阿巴阿巴：可以看到在openJDK中关于MarkWord的描述，首先可以在Github上找到Open Jdk的源码

gitHub地址：https://github.com/openjdk/jdk

在IDE中打开并找到如下的位置

src/hotspot/share/oops/markWord.hpp

// 查看虚拟机是多少位的可以使用：java -version   
//  32 bits: 
//  -------- 
//            hash:25 ------------>| age:4  unused_gap:1  lock:2 (normal object) 
// 
//  64 bits: 
//  -------- 
//  unused:25 hash:31 -->| unused_gap:1  age:4  unused_gap:1  lock:2 (normal object)

阿巴阿巴：当然可以引入openjdk提供的jol-core，然后进行打印即可。

// 在pom中引入 
<dependency> 
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId> 
  <artifactId>jol-core</artifactId> 
  <version>0.10</version> 
</dependency>

然后编写如下代码

public static void main(String[] args) { 
     Test t = new Test(); 
     System.out.println(ClassLayout.parseInstance(t).toPrintable()); 
 }

打印如下

markword在哪?Klass pointer在哪儿?

1处是MarkWord占用8Byte也就是64bit

2处是Klass Pointer占用了4Byte也就是32bit

klass pointer看起来是被压缩了，怎么确定是被压缩了呢?可以通过如下命令

面试官：对于JDK1.6及以上版本，synchronized和MarkWord有啥关系嘛?

阿巴阿巴：那关系可大了，可以看到在MarkWord中有2bit用来表示锁的标志位，代表着经过优化的synchronized锁不会直接上重量级锁，而是由偏向锁转为轻量锁，再由轻量锁转为重量级锁，一步一步膨胀的过程。

下面是2bit的锁标志位代表的含义

//    [ptr             | 00]  locked      ptr points to real header on stack 
//    [header          | 01]  unlocked    regular object header 
//    [ptr             | 10]  monitor     inflated lock (header is wapped out) 
//    [ptr             | 11]  marked      used to mark an object 
//    [0 ............ 0| 00]  inflating   inflation in progress 
 
001  无锁状态 （第一位代表偏向标志，为0的时候表示不偏向，为1的时候表示偏向） 
101  偏向锁 且记录线程ID 
00   轻量锁 指向栈中锁记录的指针 
10   重量级锁 重量级锁的指针 
11   GC标志

然后再找到上图Value部分的数据，这两位是锁的标志位

面试官：你刚不是说有一位是锁的偏向标志吗?在哪儿呢?

阿巴阿巴：锁的偏向标志就在锁标志的前一位

阿巴阿巴：程序启动后4s就会加偏向锁，只不过这个偏向锁没有偏向任何线程ID，也属于无锁状态

阿巴阿巴：当应用处于单线程环境中时，这时候上的是偏向锁，在对象头中偏向标示显示为1，案例如下

public static void main(String[] args) { 
     Test t = new Test(); 
     new Thread(()->{ 
         synchronized (t) { 
             System.out.println(ClassLayout.parseInstance(t).toPrintable()); 
         } 
     }).start(); 
 }

打印出来的数据如下

阿巴阿巴：让程序处于2个线程交替进行竞争锁

public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
        Test t = new Test(); 
        Thread thread = new Thread(()->{ 
            synchronized (t) { 
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(t).toPrintable()); 
            } 
 
        }); 
        thread.start(); 
        // 等待thread运行完 
        thread.join(); 
         
        synchronized (t) { 
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(t).toPrintable()); 
        } 
    }

可以看到当main线程拿锁时已经膨胀为轻量锁了，锁的2bit标志为变成00了

阿巴阿巴：轻量锁的时候，虚拟机会在当前线程的栈帧中建立一个锁记录的空间“Lock Record”，用于存储锁对象目前的MarkWord的拷贝，这一步采用CAS，如果成功了，那么与此同时，2bit的锁标记位会从“01”转变为“00”。这就是加轻量锁的过程。

阿巴阿巴：之所以引入偏向锁，是为了解决在无多线程竞争环境下的轻量锁，轻量锁CAS多次的尝试也是对性能的损耗。相对于轻量锁而言，偏向锁值只需要进行一次CAS，这次CAS是用来设置线程ID的，设置成功后就代表获取锁了。轻量锁更适合于线程交替执行的场景，它们通过CAS自旋，避免了线程直接挂起以及挂起后的恢复过程，以此来降低CPU的损耗。

阿巴阿巴：最后让我们看看加上重量锁后的MarkWord表现吧，先上代码

public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
        Test t = new Test(); 
        Thread thread = new Thread(()->{ 
            synchronized (t) { 
                System.out.println(ClassLayout.parseInstance(t).toPrintable()); 
            } 
 
        }); 
        thread.start(); 
        // 等待thread运行完 
        // thread.join(); 去掉该代码 
 
        synchronized (t) { 
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(t).toPrintable()); 
        } 
    }

控制台打印如下，发现已经加上重量锁了，锁的2bit标志为变成10了。

阿巴阿巴：当轻量级锁升级成重量级锁时，Mark Word的锁标记位更新为10，Mark Word 将指向互斥量(重量级锁)。

阿巴阿巴：以上就是关于synchronized和MarkWord的关系啦。

面试官：理解的不错，明天来上班吧~

阿巴阿巴：好的~