Java对象结构

在讲到本文的锁之前，先来简单了解一下Java的对象结构。Java的对象结构主要包括对象头，实例数据，对齐填充三大部分。

对象头

对象头中存储了对象的Mark word，类型指针（元数据指针）和数组长度（只有当前对象为数组对象时才会有）。而Mark word又包括对象的Hashcode码，对象的分代年龄，对象的偏向锁ID，获取偏向锁的时间戳，锁标志位等。

Mark word主要用于存储对象自身运行时的数据，并且Mark word字段的长度与JVM的位数有关，32位的JVM虚拟机中Mark word占用32位的存储空间，64位的JVM虚拟机中占用64位的储存空间。

以32位的JVM虚拟机为例：

是否是偏向锁表示：当值为0时，标记对象没有开启偏向锁，值为1表示开启了偏向锁。

锁标志位表示：当前线程拥有的锁，不同状态下拥有的锁不同。

对象分代年龄表示：当JVM发生GC垃圾回收时，新生代未被回收的对象在Eden区和Survivor之间的复制，每次复制是的分代年龄+1，默认情况下分代年龄达到15会被移到老年代区域，当然这个参数也可以自行设置。

对象的Hashcode值：主要存储对象的Hashcode值。

线程ID：表示在偏向锁状态下，持有偏向锁的线程编号。

指向栈中锁记录的指针：在轻量级锁状态下，指向栈中所记录的指针。

指向（互斥量）重量级锁的指针：在重量级锁状态下，指向对象监视器的指针。

类型指针指向方法区中的类元信息，也叫元数据指针。

对于数组长度，在当前对象是数组类型的时候，对象头中需要额外的空间存储数据长度的信息，如果当前对象不是数组类型的，则不需要。同样，在32位的虚拟机中，数组长度占用32位的存储空间，64位的虚拟机中占用64位的存储空间。

实例数据

实例数据主要存储了对象的成员变量信息，比如成员变量的具体值，父类成员变量的具体值等。

对象填充

在HotSpot虚拟机中，对象的起始地址必须为8的整数倍，如果当前对象的实例变量占用的储存空间不是8的整数倍，则需要使用填充数据来保证对齐。

偏向锁

为什么会产生偏向锁？在多线程并发执行时，synchronized锁会保证安全性能，但是同时会出现一个线程多次获取同一个锁的现象（哎，就是玩😎），因此提出了偏向锁。

偏向锁是如何工作的？如果在同一时刻，只有一个线程拿到了synchronized锁，此时该线程执行方法或代码块不会出现与其他线程竞争的情况，这时，会进入偏向状态。当锁进入偏向状态，对象头中的Mark word就会进入偏向结构，由上文得知，偏向锁标记为1，锁标志位标记为01,并且会把当前拿到锁的线程ID记录到对象头的Mark word中，一旦下次改线程进入临界区（方法或代码块），那么会先检查Mark word中存储的ID和自己的是否一致。

如果发现Mark word中存储的线程ID和自己的一致，则可以进入临界区，如果不一致，说明有线程与当前拿到锁的线程竞争。假如线程1正在使用锁资源，线程2发现不一致，则线程2会尝试使用CAS机制将对象头Mark word中的线程ID改为线程2自己的，然而又会分为两种情况：

1.当CAS操作执行成功后，表示线程1已经结束了使用锁资源，Mark word中的线程ID会记录为线程2的ID，此时仍然处于偏向锁状态；

2.当CAS操作执行失败，表示线程1仍然在占用锁资源，没有释放锁资源，此时会暂停线程1，并且将Mark word中偏向锁的值设为0，锁标志位设为00，由上文可知，此时偏向锁会升级为轻量级锁，当然，线程1和线程2之间会按照轻量级锁的方式来竞争锁。

偏向锁会提升程序的执行性能，但是偏向锁的撤销升级是比较复杂的，并且会消耗资源和性能。

轻量级锁

轻量级锁概念是在线程竞争不是很激烈时，可以通过CAS机制来竞争锁，避免使用操作系统层面的Mutex重量级锁从而影响性能。

轻量级锁如何实现呢？当线程被创建后，虚拟机会在线程的栈帧中创建一个用于存储锁记录的空间–Displaced Mark word，对于轻量级锁，在争抢锁资源的线程进入synchronized修饰的方法或代码块之前，会将锁对象中对象头里的Mark word复制到当前线程的Displaced Mark word空间中，然后，线程会尝试使用CAS自旋的方式将锁对象中的Mark word替换成指向锁记录的指针，替换成功则代表当前线程拿到了锁，之后虚拟机会把Mark word中的锁标志位设为00，表示当前为轻量级锁状态，当前线程获取到锁之后，JVM虚拟机会把锁对象中Mark word中的信息保存到获取到的锁资源的线程的栈帧Displaced Mark word中，并且把线程中的owner指针指向锁对象。

当线程抢占到锁资源后，会将锁对象的Mark Word中的信息保存到当前线程栈帧中Displaced Mark World区域，而且锁对象的Mark Word信息也会发生变化，由之前的存储对象的HashCode码到现在变成存储指向栈中锁记录的指针。当线程释放锁时，会尝试使用CAS操作将Displaced Mark Word中存储的信息复制到锁对象中的Mark Word中，如果没有发生锁竞争，则代表复制成功，线程会释放锁，如果此时由于其他线程多次执行CAS操作导致轻量级锁升级为重量级锁，则当前线程的CAS操作会失败，此时会释放锁并唤醒其他未获得锁而被阻塞的线程同时竞争锁。

重量级锁

重量级锁主要基于操作系统中的Mutex锁实现的，重量级锁的执行效率比较低，处于重量级锁时被阻塞的线程不会消耗CPU资源。
它的底层是通过Monitor锁实现等待，如果当前对象锁的状态为偏向锁或轻量级锁，那么在调用锁对象的wait方法或notify方法，或者计算锁对象的HashCode时，偏向锁或轻量级锁就会膨胀为重量级锁。

锁升级

在多线程同时争抢锁时，可能会由无锁状态慢慢升级为轻量级锁，重量级锁的情况，升级过程如下：

在多线程竞争锁时，虚拟机会检测锁对象头中的Mark Word偏向锁标记是否为1，锁标记位是否为01，如果是的话，则当前锁状态为可偏向状态；

多线程争抢锁资源时，会首先检查Mark Word中存储的是不是自己线程的ID，如果是自己线程的话，则已经处于偏向锁状态了，当前的线程可以直接进入方法或代码块中；

如果存储的不是自己的线程，那么当前竞争锁的线程会使用CAS自旋机制来竞争锁，如果竞争成功，则会把Mark Word中存储的线程ID改为当前竞争锁成功的ID，并且把偏向锁标记设为1，锁标志位设为01，此时锁状态仍然处于偏向锁状态；如果当前线程通过CAS自旋操作竞争失败，则说明有其他线程也在争抢锁资源，那么此时会撤销偏向锁，将偏向锁升级为轻量级锁；

当前线程通知锁对象的Mark Word中存储的线程ID暂停线程，对应的线程会将Mark Word的内容变为空；

上次拿到偏向锁资源的线程（线程1），和当前争抢锁的线程（线程2）都会把锁对象中的HashCode值等信息复制到自己栈帧中的Displaced Mark Word中，之后线程1和线程2开始执行CAS自旋操作，尝试把锁对象中的Mark Word的内容修改为指向自己线程的Displaced Mark Word的空间来竞争锁资源；

竞争成功的线程会拿到锁资源，并且竞争成功的锁的线程会把锁对象中的Mark Word的内容修改为指向自己线程的Displaced Mark Word的空间，并将Mark Word中的锁标志为设为00，进入轻量级锁状态；

当时竞争失败的锁不会灰心的，仍然会继续CAS自旋的操作来竞争锁资源，此时又会分为两种情况：如果竞争成功，则会拿到轻量级锁，注意是轻量级，此时锁仍然会处于轻量级锁状态；如果竞争失败，线程一直进行CAS自旋操作达到一定的次数仍然没有拿到锁资源，那么轻量级锁会膨胀为重量级锁，将Mark Word中的锁标志位设置为10进入重量级锁状态。

因此，综上所述，当同一时刻，只有一个线程竞争锁时，此时会处于偏向锁状态；如果有多个线程同时竞争锁时，偏向锁会升级为轻量级锁状态；当线程以CAS自旋机制超过了一定的自旋次数，仍然没有获取到锁，会由轻量级锁升级为重量级锁状态。

锁消除

只有Java虚拟机开启了逃逸分析，才会出现锁消除的现象，意思是当一个对象只能从一个线程被访问到，不存在共享数据的竞争，在访问这个对象时，可以不加同步锁，如果使用了synchronized同步锁，则虚拟机会自动将synchronized同步锁消除，常见的例子有StringBuffer拼接字符串：

public static String add(String str1, String str2) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1);
        sb.append(str2); 
        return sb.toString();   
        }

StringBuffer中的append()方法源码：

    public synchronized StringBuffer append(StringBuffer sb) {
        toStringCache = null;
        super.append(sb);
        return this;
    }

上述代码中，总所周知StringBuffer是线程安全的，其方法被synchronized锁修饰，虽然存在锁，但是在执行上述代码时，其他线程无法访问到共享数据，因此虚拟机会将synchronized锁安全消除。

本篇文章就分享到这里了，后续将会分享各种其他关于并发编程的知识，感谢大佬认真读完支持咯 ~

文章到这里就结束了，如果有什么疑问的地方请指出，诸佬们一起讨论🍻
希望能和诸佬们一起努力，今后进入到心仪的公司
再次感谢各位小伙伴儿们的支持🤞