Mark Word 深度解析：对象头的“密码本”

一、Mark Word 的内存布局

Mark Word 在 64 位 JVM 中占 8 字节（64 bits），其内容根据对象状态动态变化，具体分为以下 5 种模式：

锁状态	存储内容	位分布（64 bits）
无锁	哈希码（31 bits） + 分代年龄（4 bits） + 偏向模式（1 bit） + 锁标志位（2 bits）	`unused:25
偏向锁	线程ID（54 bits） + 时间戳（epoch，2 bits） + 分代年龄（4 bits） + 锁标志位	`thread:54
轻量级锁	指向栈中锁记录（Lock Record）的指针（62 bits，高位为 0） + 锁标志位	`ptr_to_lock_record:62
重量级锁	指向 Monitor 对象（ObjectMonitor）的指针（62 bits，高位为 0） + 锁标志位	`ptr_to_monitor:62
GC 标记	用于垃圾回收的标记信息（如对象存活状态）	`未使用:62

关键字段解释：

• 锁标志位（2 bits）：标识当前锁状态（01=无锁/偏向锁，00=轻量级锁，10=重量级锁，11=GC标记）。
• 偏向模式（1 bit）：仅当锁标志位为 01 时有效，1 表示偏向锁，0 表示无锁。
• 分代年龄（4 bits）：记录对象经历过的 GC 次数（最大值 15，触发后晋升老年代）。
• 哈希码（31 bits） ：延迟计算，首次调用 hashCode() 时生成。
• 线程ID（54 bits）：偏向锁持有者的线程 ID（实际是线程指针的哈希值）。

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二、Mark Word 的动态变化

通过一个简单示例观察 Mark Word 的变化（使用 JOL 工具）：

// 添加依赖：org.openjdk.jol:jol-core
Object obj = new Object();
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

1. 初始状态（无锁）

输出结果：

OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION            
      0     4        (object header)      01 00 00 00  # Mark Word（01 表示无锁）
      4     4        (object header)      00 00 00 00  # 类型指针（压缩后）
      8     4        (object header)      e5 01 00 00  # 数组长度（非数组对象为 0）
     12     4        (loss due to the next object alignment)

• 此时锁标志位为 01，偏向模式为 0（无锁）。

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2. 偏向锁状态

当线程首次获取偏向锁时，Mark Word 会记录线程 ID 和 epoch：

synchronized (obj) {
    System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
}

输出结果：

OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION            
      0     4        (object header)      05 e0 00 20  # Mark Word（偏向锁，线程ID、epoch）
      4     4        (object header)      00 00 00 00  
      8     4        (object header)      e5 01 00 00  
     12     4        (loss due to the next object alignment)

• 锁标志位仍为 01，但偏向模式位变为 1。
• 线程ID 和 epoch 被写入高位。

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3. 轻量级锁状态

当第二个线程尝试获取锁时，偏向锁撤销，升级为轻量级锁：

Thread t1 = new Thread(() -> {
    synchronized (obj) { /* ... */ }
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
    synchronized (obj) { /* ... */ }
});
t1.start(); t1.join(); // 触发偏向锁
t2.start(); t2.join(); // 触发轻量级锁
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

输出结果：

OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION            
      0     4        (object header)      f0 f8 7f 02  # 指向栈中锁记录的指针（00 结尾）
      4     4        (object header)      00 00 00 00  
      8     4        (object header)      e5 01 00 00  
     12     4        (loss due to the next object alignment)

• 锁标志位变为 00，表示轻量级锁。
• Mark Word 存储指向线程栈中锁记录的指针。

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4. 重量级锁状态

当竞争激烈时，升级为重量级锁：

for (int i = 0; i < 100; i++) {
    new Thread(() -> {
        synchronized (obj) { /* 模拟高竞争 */ }
    }).start();
}
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

输出结果：

OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION            
      0     4        (object header)      5a 3d 01 00  # 指向 ObjectMonitor 的指针（10 结尾）
      4     4        (object header)      00 00 00 00  
      8     4        (object header)      e5 01 00 00  
     12     4        (loss due to the next object alignment)

• 锁标志位变为 10，表示重量级锁。
• Mark Word 存储指向 ObjectMonitor 的指针。

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三、关键设计细节

1. 哈希码的延迟计算

   • 对象创建时不会立即计算哈希码，首次调用 hashCode() 时生成并写入 Mark Word。
   • 若对象已处于偏向锁或轻量级锁状态，哈希码会丢失（需撤销锁状态）。

2. 偏向锁的 epoch 机制

   • epoch 用于批量撤销偏向锁。当某一类对象的偏向锁被频繁撤销时，JVM 会递增 epoch，使旧的偏向锁失效，避免全局撤销。

3. 指针压缩优化

   • 在 64 位 JVM 开启压缩指针（默认开启）时，类型指针仅占 4 字节，Mark Word 仍为 8 字节。

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四、实际应用中的问题

1. 哈希码与锁的冲突

   • 若对象已计算哈希码，则无法进入偏向锁状态（哈希码占用 Mark Word 空间）。
   • 代码中过早调用 hashCode() 可能导致偏向锁失效。

2. 偏向锁的性能陷阱

   • 高竞争场景下，偏向锁的撤销和升级会增加开销（JDK 15 后默认禁用偏向锁）。

3. 调试技巧

   • 使用 jol-core 分析对象头，快速定位锁状态问题。
   • 通过 -XX:+PrintBiasedLockingStatistics 参数打印偏向锁统计信息。

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总结

Mark Word 是 JVM 同步机制的基石，其动态位模式设计实现了锁状态的灵活切换。理解 Mark Word 的细节，能够：

1. 优化高并发代码（如避免哈希码与偏向锁冲突）。
2. 诊断多线程问题（如通过对象头分析锁竞争）。
3. 掌握 JVM 调优技巧（如偏向锁延迟参数的调整）。

扩展工具：

• JOL 工具：分析对象内存布局。
• Hotspot 源码：搜索 markOop.hpp 查看 Mark Word 定义。