一、在JVM中，对象在内存中的布局分为三块区域：对象头、实例数据、对其数据。如下图所示
实例数据：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；
对齐填充：由于虚拟机要求，对象起始地址必须是8字节的整数倍，填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐。
对象头：Java对象头一般占2个机器码（在32位机器中，1个字节码等于4个字节，也就是32bit，在64位虚拟机中，1个字节码是8个字节，也就是64bit）。但是如果对象是数组对象，还需要三个字节码，因为JVM虚拟机可以通过Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但是无法从数组的元数据来确认数据的大小，所以用一块来记录数组的长度。
二、对象头
Hotspot虚拟机的对象头主要包括两部分数据：Mark Word（标记字段）、Class Pointer（类型指针）。其中ClassPointer是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是那个类的实例，Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，它是实现轻量级锁和偏向锁的关键。如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标识、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。比如锁膨胀就是借助Mark Word的偏向的线程ID，下图是Java对象头无锁状态下Mark Word 部分的存储结构（32位虚拟机）。
Mark Word存储结构
对象头信息是对象自身定义的数据无关的额外存储成本，但是考虑到虚拟机的空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在绩效的空间内存存储尽量多的数据，他会根据对象状态复用自己的存储空间，也就是说，MarkWord会随着程序的运行发生变化，可能变化为以下4种数据：
对象头的最后两位存储了锁的标志位，01是初始状态。未加锁，其对象头里存储的是对象本身的哈系码，随着锁级别的不通，对象头会存储不同的内容。偏向锁存储的是当前占用此对象的线程ID；而轻量级锁存储指向线程栈中锁记录的指针。从这里我们可以看到。“锁”这个东西，可能是个锁记录+对象头里引用指针（判断线程是否拥有锁时将线程的锁记录地址和对象头里的指针地址进行比较），也可能是对象头里的线程ID（判断线程是否拥有锁时将线程ID和对象头里存储的现层ID进行比较）。
三、对象加锁与释放
1.无锁
无锁即没有对资源进行锁定，所有的线程都可以对同一个资源进行访问，但是只有一个线程能够成功修改资源。无锁的特点就是在循环内进行修改操作，线程会不断的尝试修改共享资源，直到能够成功修改资源并退出，在此过程中没有出现冲突的发生，无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。
2.偏向锁
Hotspot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，还存在锁由同一线程多次获得的情况，偏向锁就是在这种情况下出现的，它的出现是为了解决只有在一个线程执行同步时提高性能。可以从对象头的分配中看到，偏向锁要比无锁多了线程ID 和 epoch，当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在对象头和栈帧的记录中存储线程的ID，等到下一次线程在进入和退出同步代码块时就不需要进行 CAS 操作进行加锁和解锁，只需要简单判断一下对象头的 Mark Word 中是否存储着指向当前线程的线程ID，判断的标志当然是根据锁的标志位来判断的。
偏向锁的获取过程
（1）访问 Mark Word 中偏向锁的标志是否设置成 1，锁的标志位是否是 01 --- 确认为可偏向状态。
（2）如果确认为可偏向状态，判断当前线程id 和 对象头中存储的线程 ID 是否一致，如果一致的话，则执行步骤5，如果不一致，进入步骤3
（3）如果当前线程ID 与对象头中存储的线程ID 不一致的话，则通过 CAS 操作来竞争获取锁。如果竞争成功，则将 Mark Word 中的线程ID 修改为当前线程ID，然后执行步骤5，如果不一致，则执行步骤4
（4）如果 CAS 获取偏向锁失败，则表示有竞争（CAS 获取偏向锁失败则表明至少有其他线程曾经获取过偏向锁，因为线程不会主动释放偏向锁）。当到达全局安全点（SafePoint）时，会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否存活（因为可能持有偏向锁的线程已经执行完毕，但是该线程并不会主动去释放偏向锁），如果线程不处于活动状态，则将对象头置为无锁状态(标志位为01)，然后重新偏向新的线程；如果线程仍然活着，撤销偏向锁后升级到轻量级锁的状态（标志位为00），此时轻量级锁由原持有偏向锁的线程持有，继续执行其同步代码，而正在竞争的线程会进入自旋等待获得该轻量级锁。
（5）执行同步代码
偏向锁的释放过程
偏向锁的释放过程可以参考上述的步骤4，偏向锁在遇到其他线程竞争锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁是否处于被锁定状态，撤销偏向锁后恢复到未锁定（标志位为01）或轻量级锁（标志位为00）的状态。
3.轻量级锁
轻量级锁是指当前锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，那么偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。
加锁过程
在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为 01 状态，是否为偏向锁为 0 ），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的 Mark Word 的拷贝，然后拷贝对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中。
拷贝成功后，虚拟机将使用 CAS 操作尝试将对象的 Mark Word 更新为指向 Lock Record 的指针，并将 Lock Record里的 owner 指针指向对象的 Mark Word。
如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为 00 ，表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果这个更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为 10 ，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。
4.重量级锁
重量级锁也就是通常说 synchronized 的对象锁，锁标识位为10，其中指针指向的是 monitor 对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如 monitor 可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。
上图简单描述多线程获取锁的过程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入 Entry Set当线程获取到对象的 monitor 后进入 The Owner 区域并把 monitor 中的 owner 变量设置为当前线程，同时 monitor 中的计数器count 加1，若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的 monitor，owner变量恢复为 null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet 集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放 monitor (锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。monitor 对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized 锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因，同时也是 notify/notifyAll/wait 等方法存在于顶级对象Object中的原因。
最后：打一个小广告，后续的文章会在微信公众号“程序员之家QAQ”推送，欢迎大家搜索关注~~
网友评论