上一篇《并发编程（九）》我们已经知道：synchronized 锁的本质是对象锁，锁信息存在对象头里。但对象头到底长什么样？Mark Word 里存了什么？锁升级时，底层到底发生了什么变化？

这一篇，我们直接钻进 JVM 内存结构，讲一讲 对象头、Mark Word、锁状态、锁升级 。

---

一、Java 对象在内存里长啥样？

在 HotSpot 虚拟机里，一个对象在堆内存中分为三部分：

1. 对象头（Object Header）
2. 实例数据（Instance Data）
3. 对齐填充（Padding）

我们关心的锁状态、哈希码、GC 年龄，全都存在 对象头 里。

---

二、对象头（Object Header）由什么组成？

HotSpot 的对象头分为两部分（数组多一个）：

1. Mark Word（标记字）

• 存储：哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志、持有锁的线程 ID 等。
• 这是 synchronized 锁升级的重要数据结构。

2. Klass Pointer（类型指针）

• 指向方法区中这个对象的类元数据。
• JVM 通过它知道这个对象属于哪个类。

3. 数组长度（只有数组对象才有）

• 占用 1 个字宽（Word）。
• 类型是 int，所以 Java 数组最大长度是2^31 - 1。

---

三、字宽（Word）与对象头大小

• 32 位 JVM：1 Word = 4 字节
• 64 位 JVM：1 Word = 8 字节

对象头大小：

• 普通对象：2 个字宽
  • Mark Word：1 Word
  • Klass Pointer：1 Word
• 数组对象：3 个字宽
  • 多 1 Word 存数组长度

---

四、Mark Word 核心字段（32 位 / 64 位结构一致）

Mark Word 是一个非固定结构，会随着锁状态变化而复用字段。

通用核心字段：

1. hashCode：对象哈希码（未锁 / 偏向锁时存在）
2. 分代年龄（Age）
   • 占 4 bit
   • 最大值 15（GC 最多 15 次晋升老年代）
3. 锁状态标志位
   • 占 2～3 bit
   • 用来区分：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁、GC 标记
4. 线程 ID / 指针
   • 偏向锁：存偏向线程 ID
   • 轻量级锁：指向栈中锁记录指针
   • 重量级锁：指向 Monitor 对象

---

五、锁状态与标志位

锁状态	标志位	说明
无锁	01	对象刚创建，未被竞争
偏向锁	01	无多线程竞争，锁偏向第一个线程
轻量级锁	00	轻度竞争，CAS 自旋
重量级锁	10	激烈竞争，OS 互斥量，线程阻塞
GC 标记	11	被 GC 标记，不是锁状态

关键点：

• 无锁 & 偏向锁：标志位都是 01靠另外一位（偏向位）区分。

---

六、synchronized 锁升级完整流程

锁升级路线：无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁且只能升级，不能降级。

---

1. 无锁状态

标志位：01

Mark Word 存储：hashCode、分代年龄、偏向位 0

---

2. 偏向锁（Biased Lock）

标志位：01，偏向位 1

适用场景：只有一个线程反复进入同步块

原理：

• 第一个线程进入时，CAS 把线程 ID 写入 Mark Word
• 下次该线程再来，直接进，不需要 CAS
• 目的：减少无竞争场景下的 CAS 开销

偏向锁撤销：一旦有第二个线程竞争，偏向模式结束，升级为轻量级锁。

---

3. 轻量级锁（Lightweight Lock）

标志位：00

适用场景：线程交替执行同步块，轻度竞争

原理：

• 线程在自己栈帧中创建 Lock Record
• CAS 尝试将对象 Mark Word 指向这个 Lock Record
• 成功：获取锁
• 失败：自旋，不立即阻塞

升级条件：自旋次数 / 自旋线程达到阈值 → 膨胀为 重量级锁。

---

4. 重量级锁（Heavyweight Lock）

标志位：10

Mark Word 指向 Monitor 对象

原理：

• 依赖操作系统互斥量（Mutex）
• 未获取锁的线程进入 Entry Set 阻塞
• 锁释放时唤醒一个线程，再次竞争

特点：

• 线程阻塞、唤醒 → 涉及用户态 / 内核态切换
• 开销最大，只适合高竞争、长持有场景

---

七、锁升级的完整逻辑（一句话总结）

1. 无锁：没人用
2. 偏向锁：一个线程反复用
3. 轻量级锁：线程交替用，轻度竞争
4. 重量级锁：激烈竞争，大量线程阻塞

JVM 根据竞争激烈程度自动升级，目的是：在安全前提下，尽可能减少性能开销。

---

八、Mark Word 结构变化

不同锁状态下，Mark Word 存储内容完全不同：

• 无锁：hashCode + 年龄 + 01
• 偏向锁：线程 ID + epoch + 年龄 + 01
• 轻量级锁：指向栈中锁记录的指针 + 00
• 重量级锁：指向 Monitor 的指针 + 10
• GC 标记：GC 相关信息 + 11

这就是为什么说：Mark Word 是 synchronized 锁升级的底层载体。