java并发编程中，对象-Monitor-MarkWord之间的关系，你知道吗？

凯歌_掘金
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背景

在并发编程学习中，提及到了对象-Monitor-MarkWord，看完一遍视频后，自己梳理这三者之间关系的时候，怎么根据对象获取Moniter这块，不是很清楚，于是进行了查询整理，先将结果记录在此

对象-Monitor-MarkWord之间的关系

在Java中，对象、Monitor（监视器）和Mark Word（标记字）之间的关系是理解Java并发机制和对象内存布局的关键。它们共同作用于对象的同步和锁机制。以下是详细的解释：

1. 对象 (Object)

  • 定义：对象是类的实例，包含数据（字段）和行为（方法）。每个对象都有自己的状态和行为。
  • 内存布局：在Java虚拟机（JVM）中，对象的内存布局分为几个部分：
    • 对象头 (Object Header)：包含对象的元数据信息，如哈希码、GC年龄等。
    • 实例数据 (Instance Data)：存储对象的字段值。
    • 对齐填充 (Padding)：用于保证对象的内存对齐。

2. Monitor (监视器)

  • 定义：Monitor是一个抽象的概念，用于实现Java中的同步机制。每个对象都有一个与之关联的Monitor，它负责控制对对象的访问，确保同一时间只有一个线程可以执行被synchronized修饰的方法或代码块。
  • 工作原理：
    • 当一个线程进入一个synchronized方法或代码块时，它会尝试获取该对象的Monitor。
    • 如果Monitor空闲（即没有其他线程持有它），当前线程可以获得Monitor并继续执行。
    • 如果Monitor已经被其他线程持有，当前线程将被阻塞，直到持有Monitor的线程释放它。
    • 当线程退出synchronized方法或代码块时，它会释放Monitor，允许其他等待的线程获取它。

3. Mark Word (标记字)

  • 定义：Mark Word是对象头的一部分，通常占用64位（在64位JVM上），用于存储对象的元数据信息。Mark Word的内容并不是固定的，而是根据对象的状态动态变化的。
  • 内容：
    • 哈希码 (Hash Code)：默认情况下，Mark Word存储对象的哈希码。
    • GC年龄 (GC Age)：记录对象在垃圾回收过程中存活的次数。
    • 锁状态 (Lock State)：当对象被锁定时，Mark Word会存储锁的相关信息，如指向Monitor的指针、偏向锁的线程ID等。
    • 偏向锁 (Biased Locking)：如果启用了偏向锁，Mark Word会存储偏向线程的ID，表示该对象偏向于某个特定线程。
    • 轻量级锁 (Lightweight Locking)：在轻量级锁状态下，Mark Word会存储指向栈中锁记录的指针。
    • 重量级锁 (Heavyweight Locking)：在重量级锁状态下，Mark Word会存储指向Monitor对象的指针。

4. 对象、Monitor和Mark Word的关联

  • 对象头中的Mark Word：每个对象的Mark Word是对象头的一部分，它包含了对象的锁状态信息。当对象被锁定时，Mark Word会根据锁的状态进行更新，存储不同的信息。

  • Monitor与Mark Word的关系：Monitor本身并不是直接存储在对象头中，而是通过Mark Word间接关联。具体来说：

    • 在无锁状态下，Mark Word只存储哈希码、GC年龄等信息。
    • 在偏向锁状态下，Mark Word存储偏向线程的ID，表示该对象偏向于某个特定线程。如果多个线程频繁访问同一个对象，偏向锁可以减少锁的竞争。
    • 在轻量级锁状态下，Mark Word存储指向栈中锁记录的指针。轻量级锁使用CAS（Compare-And-Swap）操作来避免线程切换，提高性能。
    • 在重量级锁状态下，Mark Word存储指向Monitor对象的指针。Monitor对象包含了一个等待队列，用于管理等待获取锁的线程。重量级锁会导致线程阻塞，性能较低，但适用于高竞争场景。

  • 锁升级机制：JVM为了优化锁的性能，引入了锁升级机制。锁的状态会根据竞争情况从无锁状态逐步升级到重量级锁：

    1. 无锁状态：对象未被锁定，Mark Word只存储哈希码等信息。
    2. 偏向锁：如果只有一个线程频繁访问对象，JVM会将锁偏向该线程，减少锁的竞争。
    3. 轻量级锁：当有多个线程竞争时，JVM会将锁升级为轻量级锁，使用CAS操作来避免线程切换。
    4. 重量级锁：如果竞争非常激烈，JVM会将锁升级为重量级锁，导致线程阻塞，性能较低。

5. 锁的几种状态

  • 无锁状态：对象未被锁定，Mark Word存储哈希码等信息。
  • 偏向锁：对象偏向于某个特定线程，Mark Word存储偏向线程的ID。
  • 轻量级锁：对象被多个线程竞争，Mark Word存储指向栈中锁记录的指针。
  • 重量级锁：对象被多个线程激烈竞争，Mark Word存储指向Monitor对象的指针。

6. 示例说明

假设我们有一个简单的Java类：

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

在这个例子中：

  • Counter类的每个实例都有一个与之关联的Monitor。
  • 当调用synchronized方法increment()或getCount()时，线程会尝试获取该对象的Monitor。
  • Monitor的状态会根据竞争情况从无锁状态逐步升级到重量级锁：
    • 如果只有一个线程访问Counter对象，JVM可能会使用偏向锁，减少锁的竞争。
    • 如果有多个线程同时调用increment()或getCount()，JVM可能会将锁升级为轻量级锁或重量级锁，以确保线程安全。

7. 总结

  • 对象：是类的实例，包含数据和行为。
  • Monitor：是Java中用于实现同步机制的抽象概念，每个对象都有一个与之关联的Monitor，用于控制对对象的访问。
  • Mark Word：是对象头的一部分，存储对象的元数据信息，包括锁状态。Mark Word根据对象的锁状态动态变化，存储不同的信息。
  • 关联：Monitor通过Mark Word间接与对象关联。Mark Word根据锁的状态存储不同的信息，如偏向线程ID、锁记录指针或Monitor指针。锁的状态会根据竞争情况从无锁状态逐步升级到重量级锁，以优化性能。

理解对象、Monitor和Mark Word之间的关系有助于你更好地理解Java的同步机制和锁的实现原理，从而编写更高效、更安全的多线程代码。

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