对象头、Monitor与synchronized

从最开始学Java的时候，便听说int类型比Integer类型要小很多，那么究竟是小在哪里呢？Integer比int究竟多了什么东西？这是本文要着重介绍的对象头，并介绍Monitor和锁。

对象头

对象头是Java对象在内存布局中的第一部分，包含了对象的元数据信息。每个Java对象在堆内存中都由对象头 、实例数据 和对齐填充三部分组成。

下面以32位虚拟机来介绍对象头的结构：

普通对象的对象头共64位，包括：

数组对象相对于普通对象，多了一个array length字段，用于存放数组声明时的大小。

对象头的关键是Mark Word字段，因此本节深入探索Mark Word

在正常的情况下，Mark Word的结构如下：

下面来介绍这些字段：

hashcode字段是JVM在对象内部维护的一个内部标识 。它是一个31位的整数（在32/64位系统中位置不同），也称为identity hash code。这个值是一个懒加载的，只有当JVM第一次需要用到这个内部哈希码时，才会计算并存入Mark Word：
- 首次调用默认的Object.hashCode()方法（即没有重写过的）。
- 首次调用System.identityHashCode(obj)方法。
- 在某些锁升级（如偏向锁）等情况下，也可能被计算。
age字段和垃圾回收机制有关
biased_lock字段，代表偏向锁是否启用
剩下的两位可以理解为当前的对象锁模式。

Monitor是JVM实现的同步机制，包含以下关键组件：

只有在对象作为锁的时候，才会创建一个对应的Monitor。

当通过synchronized去对一个对象加锁时，如果该锁不被其他线程持有，将获得这把锁，Owner变成该线程，如果该锁已经被其他线程持有，将会进入EntryList阻塞。

当线程获得锁之后，该对象的Mark Word将从

变成

也就是说，对象头中的Mark word变成了一个指向monitor的指针，而原本的Mark word信息保存在了Monitor中的_header字段中。

虽然代码中使用synchronized，但是实际上可能根本就不存在多线程竞争资源，因此锁升级机制就出现了。

在 HotSpot JVM 中，对象头的 Mark Word 记录了锁的状态，升级路径主要经过以下几个阶段：

无锁状态：一个新创建的对象，尚未被任何线程锁定。
偏向锁 ：适用于只有一个线程反复进入同步块的场景。第一次获取锁时，会在对象头和栈帧中记录偏向的线程ID。之后该线程再进入时，只需简单检查线程ID是否匹配，无需任何原子操作（如CAS），开销极低。
轻量级锁 ：当有少量线程交替竞争（即竞争不激烈，没有同时抢）时升级为此状态。它通过CPU的CAS操作在对象头和线程栈帧中复制、替换锁记录来实现同步，避免了操作系统级互斥量（Mutex）的阻塞开销。
重量级锁 ：当有多线程激烈竞争 时，轻量级锁会通过自旋尝试获取锁。若自旋失败（或达到阈值），锁会膨胀为重量级锁。此时，未获取到锁的线程会被挂起，进入操作系统的等待队列，等待被唤醒。这是开销最大的锁。

当如果一个锁在绝大多数时间里，都被同一个线程反复获得，那么JVM就可以让这个线程后续的加锁操作无需再进行任何同步操作（如CAS原子指令）

为了实现偏向，对象头中的Mark Word会记录第一个获得它的线程的ID ，以及一个偏向时间戳（epoch）。

当对象被创建后，如果没有禁用偏向锁，将会在一定时间后，Mark word会从

变成

最开始，thread是0，因为此时还未偏向于任何一个线程。

当一个线程T1第一次获取这个对象锁后：

当一个线程T1再次进入这个同步块：

线程T1执行完同步块，并不会主动释放偏向锁 。它不会将Mark Word中的线程ID清空。对象依然保持在 "已偏向于T1" 的状态。这为T1下次快速进入创造了条件。

当有另一个线程T2也试图获取这个锁时：

撤销（Revoke） ：JVM需要"主持公道"，撤销对T1的偏向。这个过程必须在全局安全点进行，它会暂停拥有偏向锁的线程T1。
检查T1状态：
- 如果T1已经退出同步块，则撤销完成，将对象恢复到 "可偏向状态" （但此时T2还未获得锁）。
- 如果T1仍在执行同步块，则将偏向锁升级为轻量级锁。