java对象头MarkWord探索
关于java对象头markword的文章有很多，基本都是说markword用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等。具体是怎么存，怎么切换这些说的很少，这里使用hsdb深入跟踪了对象头markword，在这里记录下。
实验环境：
mac ox 10.12.6
jdk8 64-Bit
涉及工具：
jdb，hsdb
一. 局部变量生命周期 和 synchronized匿名锁执行过程
图1
图2
breakM()方法栈帧局部变量表元素：
1.lock对象
2.a变量
3.synchronized匿名monitor对象
4.b变量
5.synchronized匿名throwable对象
=》 第3个和第4个变量生命周期只在synchronized块中，所以出了synchronized块后，变量c放入局部变量表第3个位置，变量d放入局部变量表第4个位置。（只根据定义确认变量生命周期，不管在定义域内后面是否会使用）
说下这个主要是为了后面理解分析栈帧时，能清楚的知道栈帧局部变量表在每一行处时存储的值的意义。
二. 先找一段openjdk关于对象头markword描述的源码说明
图3
index[0,1]：锁标识／模式标识，一方面确定是否有锁，一方面确认字段解析方式
1.index[0,1] = 01 无锁
[header | 0 | 01] unlocked regular object header
此时需要判断 index[2]，是否有偏向标识
1.1 index[2] = 0 无偏向，此时字段结构为：
unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
1.2 index[2] = 1 偏向，此时字段结构为：
JavaThread*:54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
==》
// [JavaThread* | epoch | age | 1 | 01] lock is biased toward given thread
// [0 | epoch | age | 1 | 01] lock is anonymously biased
2.index[0,1] = 00 轻量级锁
[ptr | 00] locked ptr points to real header on stack
3.index[0,1] = 10 重量级锁
[ptr | 10] monitor inflated lock (header is wapped out)
4.index[0,1] = 11 GC markSweep标志，标记对象不可用
[ptr | 11] marked used by markSweep to mark an object not valid at any other time
三. 先看个简单的demo
public class TestHashCode{
public static void main(String[] args){
breakM();
}
public static void breakM(){
LockBean lock = new LockBean(); //_mark = 0x0000000000000005 0101 无锁，任意偏向
int a = lock.hashCode(); //_mark = 0x0000007fbe847c01 0001 无锁，无偏向，hashcode
synchronized(lock){ //_mark = 0x0000700004b13870 0000 轻量级锁，栈顶指针
int b = lock.hashCode(); //_mark = 0x0000700004b13870 0000
}
int c = lock.hashCode(); //_mark = 0x0000007fbe847c01
int d = 32;
}
}
breakM方法里先定义了一个对象，再取该对象hashcode值，然后对该对象加锁。后面_mark表示执行完这一行后该对象的markword值，是很清晰的一段markword变更流程，我们下面做具体分析。
四. 轻量级锁执行过程分析
代码进入同步块时，如果此同步对象没有被锁定（markword锁标志为01），jvm首先在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的MarkWord拷贝（8byte存当前markword值拷贝，8byte存当前对象地址）。
=》如果此同步对象已被锁定（markword锁标志为00/10），则进入锁等待
然后尝试使用CAS将当前锁对象的MarkWord更新为指向Lock Record的指针。如果更新成功，则这个线程就获取了该对象的锁，并且该对象MarkWord的锁标识位（最后2bit）将转变为00，即表示该对象当前处于轻量级锁状态。
若更新操作失败，jvm会先检查该对象MarkWord是否已经是指向当前线程的栈帧，若是则说明已经获取过锁了，就直接进入同步块执行。否则说明当前锁对象已经被其他线程抢占了。
如果有多个线程同时争用同一个锁，此时轻量级锁要膨胀为重量级锁，锁标志位状态值变为10，Mark Word中存储的是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。（膨胀为重量级锁后，会生成一个新的锁Lock Record记录。锁对象markword指向新生成的重量级锁Lock Record记录，并把锁标志位置为10。）
轻量级锁的解锁也是通过CAS来做的，将Lock Record存储的之前markword值，CAS更新回锁对象的MarkWord中，更新成功则整个同步块完成；更新失败，则说明有其他线程尝试过获取该锁，那就要在释放锁的同时唤醒被挂起的线程。
=》多线程争用锁时，锁对象markword会变更为指向 新的重量级锁Lock Record地址；=》锁对象markword指向的重量级锁Lock Record地址 和 当前线程栈顶Lock Record地址不一致，说明锁膨胀为重量级锁了，存在多线程竞争。则当前线程释放锁，同时唤醒被挂起的线程。
五. 单线程下加锁前后锁对象markword分析
图4
break1堆栈:
图5
当前markword = 0x0000007fbe847c01，无锁／无偏向／hashcode，栈帧顶部无 Lock Record 记录；
break2堆栈:
图6
当前markword = 0x000070000cd93868，指向栈顶新加的 Lock Record 记录；
Lock Record记录：8byte 存锁对象之前的markword值，8byte 存指向锁对象的指针；
=》单线程场景下，不存在任何锁竞争／CAS失败，一切复合预期；
六. 多线程下加锁前后锁对象markword分析
图7
6.1 main线程到break2，new线程到break1 堆栈：
图8
main线程获取锁，main线程当前栈帧为获取到锁记录的状态；new线程还未进入同步块；
当前锁对象的markword指向main线程栈顶Lock Record记录；
6.2 main线程先到break2（已获取锁，在同步块中未退出），new线程后到break2（尝试获取锁）:
图9
可以看到，new线程进入同步块代码后，new线程的栈帧顶部也添加了 Lock Record 记录。
Q:=》new线程的 Lock Record前8byte存的值是 0x00..03，这个值是怎么来的？
A：=》最后2bit 11 在markword定义里表示对象处于GC mark不可用状态。在发生锁争用时锁膨胀为重量级锁，线程进入锁等待状态后，线程栈顶的Lock Record其实存在已经没有意义了。
main线程栈帧保持不变；
锁对象的markword值更新为 0x00007fcb19846dfa，既不指向main线程Lock Record，也不指向new线程Lock Record。
此时markword锁标志位为 10，意味着由于多线程获取锁，锁升级为 重量级锁 了，其他位的值，是指向重量级锁的指针值。
取其他位的值，去掉锁标志位的值并用00填充，得到重量级锁指针 0x00007fcb19846df8，查看该重量级锁记录，可以看到，也是存的一个Lock Record记录，前8byte存的锁对象之前无锁时的markword值，后8byte存的指向锁对象的指针；
Q:=》重量级锁Lock Record中前8byte存放的锁对象markword值，这个值是怎么取到或计算的？
A: 取的当前锁对象所指向的Lock Record记录中存放的markword值。
轻量级锁时，在同步块中运行对象hashcode方法后，由于要改变锁对象markword值（存储hashcode值），jvm的做法是：生成一个新的Lock Record记录（栈帧外），该新的Lock Record记录中存放锁对象含hashcode的markword值，然后将锁对象markwrd指向新的Lock Record记录；退出同步块时，也是从这里恢复锁对象markword值；
若已经是重量级锁，则运行锁对象hashcode方法后，将更新重量级锁Lock Record记录中的markword值为含hashcode的markword值。
6.3 main线程出了同步块，new线程在break2（已经获取到锁）:
图10
main线程释放锁之后，new线程获取到锁，此时只有new线程占用锁，但是由于已经膨胀为重量级锁了，此时new线程获取的锁记录依然是这个重量级锁。
main线程释放锁后，main线程的栈顶Lock Record发生了一点变化，Lock Record中原本指向锁对象地址的指针，现在变为指向空地址的指针了。
6.4 main线程出了同步块，new线程出了同步块：
锁对象markword恢复成最后指向的Lock Record记录中前8byte中存储的锁对象进入同步块之前的markword值，由此，锁对象恢复到进入同步块之前的状态。
至此，对markword的含义有了更清晰的理解。
