java对象头信息和三种锁的性能对比
路仁甲 人气:3java头的信息分析
首先为什么我要去研究java的对象头呢？ 这里截取一张hotspot的源码当中的注释
这张图换成可读的表格如下
|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Object Header (128 bits) | |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | Mark Word (64 bits) | Klass Word (64 bits) | |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | unused:25 | identity_hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 | OOP to metadata object | 无锁 |----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------| | thread:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | lock:2 | OOP to metadata object | 偏向锁 |----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------| | ptr_to_lock_record:62 | lock:2 | OOP to metadata object | 轻量锁 |----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------| | ptr_to_heavyweight_monitor:62 | lock:2 | OOP to metadata object | 重量锁 |----------------------------------------------------------------------|--------|------------------------------| | | lock:2 | OOP to metadata object | GC |--------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
意思是java的对象头在对象的不同状态下会有不同的表现形式，主要有三种状态，无锁状态、加锁状态、gc标记状态。
那么我可以理解java当中的取锁其实可以理解是给对象上锁，也就是改变对象头的状态，如果上锁成功则进入同步代码块。
但是java当中的锁有分为很多种，从上图可以看出大体分为偏向锁、轻量锁、重量锁三种锁状态。
这三种锁的效率 完全不同、关于效率的分析会在下文分析，我们只有合理的设计代码，才能合理的利用锁、那么这三种锁的原理是什么? 所以我们需要先研究这个对象头。
java对象的布局以及对象头的布局
使用JOL来分析java的对象布局,添加依赖
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.8</version>
<https://img.qb5200.com/download-x/dependency>
测试类
public class B {
}
public class JOLExample1 {
static B b = new B();
public static void main(String[] args) {
//jvm的信息
out.println(VM.current().details());
out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
}
}
看下结果
分析结果1:整个对象一共16B，其中对象头（Object header）12B，还有4B是对齐的字节（因为在64位虚拟机上对象的大小必 须是8的倍数）,
由于这个对象里面没有任何字段，故而对象的实例数据为0B？
两个问题
1、什么叫做对象的实例数据呢？
2、那么对象头里面的12B到底存的是什么呢？
首先要明白什么对象的实例数据很简单，我们可以在B当中添加一个boolean的字段，大家都知道boolean字段占 1B，然后再看结果
整个对象的大小还是没有改变一共16B，其中对象头（Object header）12B，boolean字段flag（对象的实例数据）占 1B、剩下的3B就是对齐字节。
由此我们可以认为一个对象的布局大体分为三个部分分别是:对象头（Object header）、 对象的实例数据和字节对齐
接下来讨论第二个问题，对象头为什么是12B？这个12B当中分别存储的是什么呢？（不同位数的VM对象头的长度不一 样，这里指的是64bit的vm）
首先引用openjdk文档当中对对象头的解释
上述引用中提到一个java对象头包含了2个word，并且好包含了堆对象的布局、类型、GC状态、同步状态和标识哈 希码，具体怎么包含的呢？又是哪两个word呢？
mark word为第一个word根据文档可以知他里面包含了锁的信息，hashcode，gc信息等等，第二个word是什么 呢？
klass word为对象头的第二个word主要指向对象的元数据。
假设我们理解一个对象头主要上图两部分组成（数组对象除外，数组对象的对象头还包含一个数组长度），
那么 一个java的对象头多大呢？我们从JVM的源码注释中得知到一个mark word一个是64bit，那么klass的长度是多少呢？
所以我们需要想办法来获得java对象头的详细信息，验证一下他的大小，验证一下里面包含的信息是否正确。
根据上述利用JOL打印的对象头信息可以知道一个对象头是12B，其中8B是mark word 那么剩下的4B就是klass word了，和锁相关的就是mark word了，
那么接下来重点分析mark word里面信息 在无锁的情况下markword当中的前56bit存的是对象的hashcode，那么来验证一下
先上代码:手动计算HashCode
public class HashUtil {
public static void countHash(Object object) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
// 手动计算HashCode
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
long hashCode = 0;
for (long index = 7; index > 0; index--) {
// 取Mark Word中的每一个Byte进行计算
hashCode |= (unsafe.getByte(object, index) & 0xFF) << ((index - 1) * 8);
}
String code = Long.toHexString(hashCode);
System.out.println("util-----------0x"+code);
}
}
public class JOLExample2 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
B b = new B();
out.println("befor hash");
//没有计算HASHCODE之前的对象头
out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
//JVM 计算的hashcode
out.println("jvm------------0x"+Integer.toHexString(b.hashCode()));
HashUtil.countHash(b);
//当计算完hashcode之后，我们可以查看对象头的信息变化
out.println("after hash");
out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
}
}
分析结果3：
1-----上面没有进行hashcode之前的对象头信息，可以看到的56bit没有值，打印完hashcode之后就有值了，为什 么是1-7B，不是0-6B呢？因为是小端存储。
其中两行是我们通过hashcode方法打印的结果，第一行是我根据1-7B的信息计算出来的 hashcode，所以可以确定java对象头当中的mark work里面的后七个字节存储的是hashcode信息，
那么第一个字节当中的八位分别存的 就是分带年龄、偏向锁信息，和对象状态，这个8bit分别表示的信息如下图（其实上图也有信息），这个图会随着对象状态改变而改变， 下图是无锁状态下
关于对象状态一共分为五种状态，分别是无锁、偏向锁、轻量锁、重量锁、GC标记，
那么2bit，如何能表示五种状 态（2bit最多只能表示4中状态分别是：00,01,10,11），
jvm做的比较好的是把偏向锁和无锁状态表示为同一个状态，然 后根据图中偏向锁的标识再去标识是无锁还是偏向锁状态。
什么意思呢？写个代码分析一下，在写代码之前我们先记得 无锁状态下的信息00000001，然后写一个偏向锁的例子看看结果
public static void main(String[] args) throws Exception {
//-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
B b = new B();
out.println("befor lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
synchronized (b){
out.println("lock ing");
out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
}
out.println("after lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
}
上面这个程序只有一个线程去调用sync方法，故而讲道理应该是偏向锁，但是此时却是轻量级锁
而且你会发现最后输出的结果（第一个字节）依 然是00000001和无锁的时候一模一样，其实这是因为虚拟机在启动的时候对于偏向锁有延迟，
比如把上述代码当中加上 睡眠5秒的代码,结果就会不一样了，
public static void main(String[] args) throws Exception {
//-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
Thread.sleep(5000);
B b = new B();
out.println("befor lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
synchronized (b){
out.println("lock ing");
out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
}
out.println("after lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable());
}
结果变成00000101.当然为了方便测试我们也可以直接通过JVM的参数来禁用延迟
-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
结果是和睡眠5秒一样的.
想想为什么偏向锁会延迟？因为启动程序的时候,jvm会有很多操作,包括gc等等,jvm刚运行时存在大量的同步方法,很多都不是偏向锁,
而偏向锁升级为轻/重量级锁的很费时间和资源,因此jvm会延迟4秒左右再开启偏向锁.
那么为什么同步之前就是偏向锁呢?我猜想是jvm的原因,目前还不清楚.
需要注意的after lock，退出同步后依然保持了偏向信息
然后看下轻量级锁的对象头
static A a;
public static void main(String[] args) throws Exception {
a = new A();
out.println("befre lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
synchronized (a){
out.println("lock ing");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}
out.println("after lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}
看结果:
关于重量锁首先看对象头
static A a;
public static void main(String[] args) throws Exception {
//Thread.sleep(5000);
a = new A();
out.println("befre lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//无锁
Thread t1= new Thread(){
public void run() {
synchronized (a){
try {
Thread.sleep(5000);
System.out.println("t1 release");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
};
t1.start();
Thread.sleep(1000);
out.println("t1 lock ing");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//轻量锁
sync();
out.println("after lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//重量锁
System.gc();
out.println("after gc()");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//无锁---gc
}
public static void sync() throws InterruptedException {
synchronized (a){
System.out.println("t1 main lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());//重量锁
}
}
看结果
由上述实验可总结下图:
性能对比偏向锁和轻量级锁：
public class A {
int i=0;
public synchronized void parse(){
i++;
}
//JOLExample6.countDownLatch.countDown();
}
执行1000000000L次++操作
public class JOLExample4 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
A a = new A();
long start = System.currentTimeMillis();
//调用同步方法1000000000L 来计算1000000000L的++，对比偏向锁和轻量级锁的性能
//如果不出意外，结果灰常明显
for(int i=0;i<1000000000L;i++){
a.parse();
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(String.format("%sms", end - start));
}
}
此时根据上面的测试可知是轻量级锁,看下结果
大概16秒
然后我们让偏向锁启动无延时,在启动一次
-XX:+UseBiasedLocking -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
再看下结果
只需要2秒,速度提升了很多
再看下重量级锁的时间
static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000000000);
public static void main(String[] args) throws Exception {
final A a = new A();
long start = System.currentTimeMillis();
//调用同步方法1000000000L 来计算1000000000L的++，对比偏向锁和轻量级锁的性能
//如果不出意外，结果灰常明显
for(int i=0;i<2;i++){
new Thread(){
@Override
public void run() {
while (countDownLatch.getCount() > 0) {
a.parse();
}
}
}.start();
}
countDownLatch.await();
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(String.format("%sms", end - start));
}
看下结果,大概31秒,
可以看出三种锁的消耗是差距很大的,这也是1.5以后synchronized优化的意义
需要注意的是如果对象已经计算了hashcode就不能偏向了
static A a;
public static void main(String[] args) throws Exception {
Thread.sleep(5000);
a= new A();
a.hashCode();
out.println("befor lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
synchronized (a){
out.println("lock ing");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}
out.println("after lock");
out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
}
看下结果
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