• 涨姿势啦!Java程序员装X必备词汇之对象标记Mark Word!


    大家好,我是庆哥Java,一个专注于干货分享的Java自学者!

    写在前面

    如果你已经知道什么是Mark Word,那我也希望你都好好阅读下本篇文章,因为你有可能发现不一样的切入点来帮助你更加深入的了解Mark Word,这对你来说是个很好的巩固所学知识的机会,同时也是一场技术交流,一个有逼格的程序员应该不会错过这样的机会吧!

    如果你还不知道什么是Mark Word,那你更要好好阅读本篇文章了,因为Mark Word不仅是一个可以让你用来装X的词汇,实际上它是一个非常重要的概念,非常重要的知识点,对你学习Java中的各种锁是非常有必要的,也可以说是必须的,而为什么要阅读本篇文章嘞?

    因为,庆哥的文章,接地气啊,通俗易懂,那咱就一起搞起吧!


    先来看下Mark Word

    Mark Word是啥?翻译过来就是对象标记,先通过代码让你直观看下Mark Word到底是个什么东东,来看下面代码:

    class OneClass{
        
    }
    

    这是啥?一个非常非常简单的类,啥也没有,就是声明了一个类对吧,好,看接下来的操作:

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

    这是啥?先来看看打印出来的是些个啥?
    image.png
    看得懂吗?红框中的就是对象标记Mark Word了,那今天这篇文章的目的就是让你读懂上面这张图到底是个啥?以及有哪些重要的信息!

    事先声明,今天的文章,干货比较多,看起来有点费劲,请先做好准备!

    开干!


    从对象实例开始讲起

    什么是对象实例呢?说的简单点,我们new出来的东西就是一个对象实例,也就是平常说的什么实例化,就是你创建出来的那个在堆里面的实例对象,ok,这个概念相信大家都懂,不赘述,接下来你就有可能不知道了,你说对于一个对象实例,它有哪几部分组成呢?

    1. 对象头
    2. 实例数据
    3. 对齐填充

    这些都是啥?这里我们可以类比下我们的人,一个对象实例就好比是一个完整的人,拿你自己来类比就行,这里我们拿你自己来类比,这个对象头就是你的大脑啦,然后实例数据就好比的身体,而对齐填充就好比你的脚,画个图大概就是这样的:
    image.png
    这里可能这个对齐填充大家不是很好理解,什么意思呢?就比如说你要参加一个面试,但是人家硬性要求一米八,但是你就是一米七八,咋办,鞋垫子拯救你啊,懂我意思吧。 那这个对齐填充也是这么回事,对齐填充要求一个对象实例的大小必须是8个字节的倍数,那你不够了的话,对齐填充起作用给你整到8字节的倍数,懂了吧!

    现在我们知道了,一个对象实例包括对象头,实例数据和对齐填充,其实更详细的还有如下划分,看图:
    image.png
    什么意思呢?就是你得知道这么一回事,对于对象头来说,它是分为两部分的,一是对象标记,也就是今天要注重说的Mark Word,还有一个就是Class Pointer类型指针了,咱们的重点是Mark Word!

    实例数据和对齐填充

    这里先给大家简单说说什么是实例数据,帮助大家有个直观的认识!

    什么叫做实例数据呢?写一个简单的代码来举例说明:
    image.png

    我们这里定义了一个超级简单的Person类,里面啥也没有,这个时候我们去实例化一个Person对象,也就是这样:
    image.png

    这个时候你知道我们这个对象有多大吗?实际上目前它就占16个字节,也就是对象头中的Mark Word和类型指针,说白了就是,你刚开始创建一个空荡荡的Java对象,起初里面是只有对象头的,也就是组成对象头的对象标记Mark Word占8个字节,类型指针占8个字节(存在指针压缩的话就只有4个字节,会对齐填充4个字节),一共16个字节,如果这个时候我们再添加一点代码,比如这样:
    image.png

    我们给Person类增加了一个属性,我们知道int占四个字节,加上对象头的16个字节,此时一共20个字节,但是一个对象的大小要是8字节的倍数,那目前20字节,所以需要到24字节才符合条件,此时就需要对齐填充4个字节,最终凑成24个字节,这个Person类中的一些东西(比如这里定义的int)就是实例数据了,另外想必这下你也更清楚什么是对齐填充了吧!

    ok,到了这里,什么是实例数据,什么是对齐填充,是不是比较清晰了?当然如果你目前理解的还不是很透彻也没关系,只有一个大致知道是怎么回事就ok啦!

    类型指针是什么

    这是个啥意思呢?我们来看,比如我们创建一个Person对象,我们一般怎么写,是不是这样:

    Person p = new Person()
    

    别看这一行简单的代码,你得分清楚几个概念了,首先就是new person(),这个大家最熟悉,就是创建一个新的对象,在哪,是在堆中创建吧,然后就是这个p了,它是啥,这个是对象引用,存储在哪,知道吧,这个是在栈内存,那么这个Person呢?是不是很多人就不太清楚了呢?

    记住了,这个Person可以理解成一个模板,就好比人类,然后后面new Person()生产出具体的某个人,而这个Person就是个生产出这个人的模具,最重要的要知道,这个Person存在哪里,它是在方法区的,结合上面说的对象标记,来看一张图:

    image.png
    一定要注意这个Person的位置在哪里!它是存在方法区的,这个是java虚拟机的知识了,先作简单了解即可!

    而这里的类型指针,就是指向这个Person类的指针了!那么关于什么是类型指针,你是否也有一个简单的认识了?不再是一个陌生的词汇了吧!

    这就ok啦,咱们继续,重难点还在后面嘞!


    详解Mark Word

    对于一个Java对象来说,对象头是极其重要的,对象头主要有对象标记和类型指针两部分组成,接下来需要重点看下对象标记,也就是Mark Word,下面是针对64位JVM(那也就是说还有32位的,考虑到现在基本都是64的了,32的直接pass掉)的Mark Word来说的,它的组成是这样的:
    image.png
    第一次看到这张图会觉得比较懵,没事,很正常,我刚开始学习也是这样,别着急,经过下面的一步步的分析,你就会清晰很多!首先记住,上图表示的就是一个Mark Word的内部是啥样的!我们之前不是说了嘛,对象标记Mark Word是占8字节的,那也就是64bit,那这64bit都是存储的啥,上面这种图就给出了答案,你看这里:

    image.png

    一个Mark Word就是8字节64位,里面存储了啥,就得看上面这张图,有内味儿了吧,上面这张图是不是稍微熟悉了一点点,那现在你应该知道这么些东西:

    一个Java对象由对象头,实例数据和对齐填充组成,其中对象头是极其重要的,对象头是由对象标记Mark Word和类型指针组成,其中又以Mark Word最重要,对于Mark Word它占8个字节也就是64位!

    ok,以上内容都清楚吧!那咱就继续!

    接下来咱就以锁这个切入点去详细的看看这个Mark Word!

    我们都知道在并发情况下也就是要解决线程安全的话要加锁,其实这个加锁就是对对象加锁,那如何去判断或者说知道这个对象加锁了没有或者加的什么锁,这些个信息其实就保存在对象头中的Mark Word中,上面这张图就是关于一个Mark Word的具体结构,可以看出,一个Java对象其实在不同的状态下,它是不一样的,主要是有不同的锁,比如没有锁,轻量级锁,还有什么偏向锁,重量级锁等等,不同的锁,在Mark Word中就会有不同的状态标记。

    JOL的引入

    只看这些,其实是比较晦涩难懂的,接下来需要结合代码来看下:

    image.png

    这就是一个空类,啥也没有,要怎么看这个对象标记Mark Word呢?这里我们需要加入一个依赖,也就是你的Java项目是个maven项目,可以引入pom依赖,然后添加以下依赖:

    <dependency>
      <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
      <artifactId>jol-core</artifactId>
      <version>0.10</version>
    </dependency>
    

    这个依赖是干嘛的呢?这是一个代码工具叫做JOL,也就是Java Object Layout,主要就是用来分析java虚拟机中的对象布局的,也就是在java对象在虚拟机中的大小和分布,ok,接下来加入上述这个依赖之后我们就可以这样操作,看代码:

    image.png

    这样我们就可以看出使用虚拟机的一些情况,看打印输出:
    image.png
    接着我们就来看下我们创建的那个空类是怎样的一个情况,可以这样操作:

    MyClass myClass = new MyClass();
    //打印出相关的对象头信息
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(myClass).toPrintable());
    

    得出以下内容:
    image.png

    OK了,相关信息打印出来了,记住这是myclass的相关内部信息,那这些都是啥呢?看上面的图,是不是有个“Object header”啥意思?不就是对象头嘛,然后我们来看这里:

    image.png

    这是啥?主要就是来看我们的一个空对象占多大空间,之前也说了,对象头包括对象标记8字节和类型指针8字节,我们先来看对象标记,是不是这个:

    image.png

    也就是起始位置是0,然后前进4个字节,此时的起始位置就变成了4,接着再前进4个字节,那此时起始位置就成了8,此时对象标记就占8个字节,这没啥问题,接着我们看,起始位置是8,然后继续前进4字节,到达12的时候,其实此时类型指针就结束了,也就是8到12,类型指针就占了4字节,看这句话:
    image.png

    也就是此时这个对象就占据12个字节,可是不是说占据16个字节才对吗?我们知道java对象所占大小需要是8字节的整数倍,那为了满足这块,就又对齐填充了4字节,最终达到16字节 。

    为什么会这样?其实是因为这里发生了指针压缩,在说这个指针压缩之前,需要明白这样的一东西:
    image.png

    我们通过代码来说下:
    image.png

    我们在空类中加入一个char类型,再看下结果:

    image.png

    接着我们再看一个:
    image.png

    我就问此时你说会进行对齐填充几个字节?思考一下:

    image.png

    为什么是6,一定要想明白了,记住8的倍数哦!对了,一个对象有多大,记得可以看这里:

    image.png

    指针压缩

    接着我们再说之前指针压缩的问题,也就是类型指针是占8个字节的,可是实际上只占了4个字节,这就是指针压缩的问题,这里我们需要这么一个jvm参数,就是它:

    java -XX:+PrintCommandLineFlags -version
    

    我们执行看下:
    image.png

    也就是默认开启了指针压缩,所以我们的类型指针才变成了4字节,接着我们可以把这个指针压缩给关闭掉,可以这样操作:
    image.png

    再看:
    image.png

    此时就正确啦,就是对象标记占8个字节,类型指针也占8个字节,也就是对象头16个字节。

    我们之前说过,一个java对象包括对象头,实例数据和对齐填充,经过我们上面的讲解,然后在看下面一张图,我相信你可以秒懂:
    image.png

    有没有一种豁然开朗的感觉?到了这里就需要分析最后一波,就是value值了,也就是这部分值(注意我们重点在Mark Word的value值上):

    image.png

    value值分析

    那这里需要再看看一下这张非常重要的图了:
    image.png
    然后再来看我们这里创建的类:
    image.png

    这就是一个普通的类,没有加锁,也就是最普通的无锁,我们再看它的对象结构是啥:

    image.png

    我们主要来看value这部分,这里我们仍然需要对照Mark Word的结构来看,这里是无锁结构,所以我们需要看的是这里:

    image.png
    注意重点等下我们需要看下这个锁标志位,然后下面看一个对照图:

    一张图理解Mark Word

    image.png

    要仔细看这张图了,懂了这个,基本上你就掌握了Mark Word!为了让你更加的清晰,再给你来一张图:
    image.png

    总结

    对于一个Java对象而言,Mark Word是相当重要的,而且它是你后续学习并发编程,研究Java中的各种锁需要必会的知识,刚开始可能觉得是个新奇陌生的词汇,但是等你慢慢的去接触它。了解它,你会发现它真的能帮你解决很多看起来很难的知识,会让你觉得那些看起来很高大上的东西,原来是这么回事啊,比如偏向锁,轻量级锁什么的,总之,作为一个Java程序员,Mark Word是你需要要掌握的!

    当然,由于个人水平有限,本篇描述可能存在有误的地方,烦请指正,大家共同学习,一起进步!

    成功无捷径,学习有方法!
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