关于java:面试必问的HashCode技术内幕

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3 hashCode 的底细

tips：面试常问 / 罕用 / 常出错

hashCode 到底是什么？是不是对象的内存地址？

1) 间接用内存地址？

指标：通过一个 Demo 验证这个 hasCode 到底是不是内存地址 

public native int hashCode();

com.hashcode.HashCodeTest

package com.hashcode;

import org.openjdk.jol.vm.VM;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;


public class HashCodeTest {
    // 指标：只有产生反复，阐明 hashcode 不是内存地址，但还须要证实（JVM 代码证实）public static void main(String[] args) {List<Integer> integerList = new ArrayList<Integer>();
        int num = 0;
        for (int i = 0; i < 150000; i++) {
            // 创立新的对象
            Object object = new Object();
            if (integerList.contains(object.hashCode())) {num++;// 产生反复（内存地址必定不会反复）} else {integerList.add(object.hashCode());// 没有反复
            }
        }
        System.out.println(num + "个 hashcode 产生反复");
        System.out.println("List 共计大小" + integerList.size() + "个");

    }
}

15 万个循环，产生了反复，阐明 hashCode 不是内存地址（严格的说，必定不是间接取的内存地址）

思考一下，为什么不能间接用内存地址呢？

  • 提醒：jvm 垃圾收集算法，对象迁徙……

那么它到底是什么？如何生成的呢

2) 不是地址那在哪里？

既然不是内存地址，那肯定在某个中央存着，那在哪里存着呢？

答案：在对象头里！（画图。类在 jvm 内存中的布局）

对象头分为两局部，一部分是下面指向 class 形容的地址 Klass，另一部分就是 Markword

而咱们这里要找的 hashcode 在 Markword 里！（标记位意义，不必记！）

32 位：

64 位：

3) 什么时候生成的？

new 的霎时就有 hashcode 了吗？？

show me the code！咱们用代码验证 

package com.hashcode;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import org.openjdk.jol.vm.VM;

public class ShowHashCode {public static void main(String[] args) {ShowHashCode a = new ShowHashCode();
            //jvm 的信息
            System.out.println(VM.current().details());
            System.out.println("-------------------------");
            // 调用之前打印 a 对象的头信息
            // 以表格的模式打印对象布局
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

            System.out.println("-------------------------");
            // 调用后再打印 a 对象的 hashcode 值
            System.out.println(Integer.toHexString(a.hashCode()));
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());

            System.out.println("-------------------------");
            // 有线程加重量级锁的时候，再来看对象头
            new Thread(()->{
                try {synchronized (a){Thread.sleep(5000);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
                }
            }).start();
            System.out.println(Integer.toHexString(a.hashCode()));
            System.out.println(ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable());
        }

}

后果剖析

论断：在你没有调用的时候，这个值是空的，当第一次调用 hashCode 办法时，会生成，加锁当前，不晓得去哪里了……

4) 怎么生成的？

接上文 , 咱们查究一下，它具体的生成及挪动过程。

咱们都晓得，这货是个本地办法 

public native int hashCode();

那就须要借助下面提到的方法，通过 JVM 虚拟机源码，查看 hashcode 的生成

1）先从 Object.c 开始找 hashCode 映射

src\share\native\java\lang\Object.c

JNIEXPORT void JNICALL//jni 调用
// 全门路：java_lang_Object_registerNatives 是 java 对应的包下办法
Java_java_lang_Object_registerNatives(JNIEnv *env, jclass cls)
{
     //jni 环境调用；上面的参数 methods 对应的 java 办法
    (*env)->RegisterNatives(env, cls,
                            methods, sizeof(methods)/sizeof(methods[0]));
}

JAVA———————>C++ 函数对应 

//JAVA 办法（返回值）----->C++ 函数对象
static JNINativeMethod methods[] = {
    //JAVA 办法        返回值（参数）c++ 函数
    {"hashCode",    "()I",                    (void *)&JVM_IHashCode},
    {"wait",        "(J)V",                   (void *)&JVM_MonitorWait},
    {"notify",      "()V",                    (void *)&JVM_MonitorNotify},
    {"notifyAll",   "()V",                    (void *)&JVM_MonitorNotifyAll},
    {"clone",       "()Ljava/lang/Object;",   (void *)&JVM_Clone},
};

JVM_IHashCod 在哪里呢？

2）全局检索 JVM_IHashCode

齐全搜不到这个办法名，只有这个还对付有点像，那这是个啥呢？

src\share\vm\prims\jvm.cpp

/*
JVM_ENTRY is a preprocessor macro that
adds some boilerplate code that is common for all functions of HotSpot JVM API.
This API is a connection layer between the native code of JDK class library and the JVM.

JVM_ENTRY 是一个预加载宏，减少一些样板代码到 jvm 的所有 function 中
这个 api 是位于本地办法与 jdk 之间的一个连贯层。所以，此处才是生成 hashCode 的逻辑！*/
JVM_ENTRY(jint, JVM_IHashCode(JNIEnv* env, jobject handle))
  JVMWrapper("JVM_IHashCode");
  // 调用了 ObjectSynchronizer 对象的 FastHashCode
 return handle == NULL ? 0 : ObjectSynchronizer::FastHashCode (THREAD, JNIHandles::resolve_non_null(handle)) ;
JVM_END

3）持续，ObjectSynchronizer::FastHashCode

先说生成流程，留个印象：

intptr_t ObjectSynchronizer::FastHashCode (Thread * Self, oop obj) {// 是否开启了偏差锁 (Biased：偏差，偏向)
  if (UseBiasedLocking) {
    // 如果以后对象处于偏差锁状态
    if (obj->mark()->has_bias_pattern()) {Handle hobj (Self, obj) ;
      assert (Universe::verify_in_progress() ||
              !SafepointSynchronize::is_at_safepoint(),
             "biases should not be seen by VM thread here");
            // 那么就撤销偏差锁（达到无锁状态，revoke：破除）BiasedLocking::revoke_and_rebias(hobj, false, JavaThread::current());
      obj = hobj() ;
          // 断言下，看看是否撤销胜利（撤销后为无锁状态）assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now");
    }
  }

  // ……

  ObjectMonitor* monitor = NULL;
  markOop temp, test;
  intptr_t hash;
  // 读出一个稳固的 mark; 避免对象 obj 处于收缩状态；// 如果正在收缩，就等他收缩结束再读出来
  markOop mark = ReadStableMark (obj);

    // 是否撤销了偏差锁（也就是无锁状态）（neutral：中立，不偏不斜的）if (mark->is_neutral()) {
    // 从 mark 头上取 hash 值
    hash = mark->hash(); 
       // 如果有，间接返回这个 hashcode（xor）if (hash) {                       // if it has hash, just return it
      return hash;
    }
        // 如果没有就新生成一个 (get_next_hash)
    hash = get_next_hash(Self, obj);  // allocate a new hash code
    // 生成后，原子性设置，将 hash 放在对象头里去，这样下次就能够间接取了
    temp = mark->copy_set_hash(hash); // merge the hash code into header
    // use (machine word version) atomic operation to install the hash
    test = (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(temp, obj->mark_addr(), mark);
    if (test == mark) {return hash;}
    // If atomic operation failed, we must inflate the header
    // into heavy weight monitor. We could add more code here
    // for fast path, but it does not worth the complexity.
    // 如果曾经升级成了重量级锁，那么找到它的 monitor
    // 也就是咱们所说的内置锁 (objectMonitor)，这是 c 里的数据类型
    // 因为锁降级后，mark 里的 bit 位曾经不再存储 hashcode，而是指向 monitor 的地址
    // 而降级的 markword 呢？被移到了 c 的 monitor 里
  } else if (mark->has_monitor()) {
    // 沿着 monitor 找 header，也就是对象头
    monitor = mark->monitor();
    temp = monitor->header();
    assert (temp->is_neutral(), "invariant") ;
    // 找到 header 后取 hash 返回
    hash = temp->hash();
    if (hash) {return hash;}
    // Skip to the following code to reduce code size
  } else if (Self->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
    // 轻量级锁的话，也是从 java 对象头移到了 c 里，叫 helper
    temp = mark->displaced_mark_helper(); // this is a lightweight monitor owned
    assert (temp->is_neutral(), "invariant") ;
    hash = temp->hash();              // by current thread, check if the displaced
    // 找到，返回
    if (hash) {                       // header contains hash code
      return hash;
    }
  }
    
  
  ...... 略

问：

为什么要先撤销偏差锁到无锁状态，再来生成 hashcode 呢？这跟锁有什么关系？

答：

mark word 里，hashcode 存储的字节地位被偏差锁给占了！偏差锁存储了锁持有者的线程 id

（参考下面的 markword 图）

扩大：对于 hashCode 的生成算法（理解）

// hashCode() generation :
// 波及到 c ++ 算法畛域，感兴趣的同学自行钻研
// Possibilities:
// * MD5Digest of {obj,stwRandom}
// * CRC32 of {obj,stwRandom} or any linear-feedback shift register function.
// * A DES- or AES-style SBox[] mechanism
// * One of the Phi-based schemes, such as:
//   2654435761 = 2^32 * Phi (golden ratio)
//   HashCodeValue = ((uintptr_t(obj) >> 3) * 2654435761) ^ GVars.stwRandom ;
// * A variation of Marsaglia's shift-xor RNG scheme.
// * (obj ^ stwRandom) is appealing, but can result
//   in undesirable regularity in the hashCode values of adjacent objects
//   (objects allocated back-to-back, in particular).  This could potentially
//   result in hashtable collisions and reduced hashtable efficiency.
//   There are simple ways to "diffuse" the middle address bits over the
//   generated hashCode values:
//
static inline intptr_t get_next_hash(Thread * Self, oop obj) {
  intptr_t value = 0 ;
  if (hashCode == 0) {
     // This form uses an unguarded global Park-Miller RNG,
     // so it's possible for two threads to race and generate the same RNG.
     // On MP system we'll have lots of RW access to a global, so the
     // mechanism induces lots of coherency traffic.
     value = os::random() ;// 返回随机数} else if (hashCode == 1) {// This variation has the property of being stable (idempotent)
     // between STW operations.  This can be useful in some of the 1-0
     // synchronization schemes.
     // 和地址相干，但不是地址；右移 + 异或算法
     intptr_t addrBits = cast_from_oop<intptr_t>(obj) >> 3 ;
     value = addrBits ^ (addrBits >> 5) ^ GVars.stwRandom ;// 随机数位移异或计算
  } else  if (hashCode == 2) {value = 1 ;            // 返回 1} else  if (hashCode == 3) {value = ++GVars.hcSequence ;// 返回一个 Sequence 序列号} else  if (hashCode == 4) {value = cast_from_oop<intptr_t>(obj) ;// 也不是地址
  } else {
     // 罕用
     // Marsaglia's xor-shift scheme with thread-specific state
     // This is probably the best overall implementation -- we'll
     // likely make this the default in future releases.
     // 马萨利亚传授写的 xor-shift 随机数算法（异或随机算法 )
     unsigned t = Self->_hashStateX ;
     t ^= (t << 11) ;
     Self->_hashStateX = Self->_hashStateY ;
     Self->_hashStateY = Self->_hashStateZ ;
     Self->_hashStateZ = Self->_hashStateW ;
     unsigned v = Self->_hashStateW ;
     v = (v ^ (v >> 19)) ^ (t ^ (t >> 8)) ;
     Self->_hashStateW = v ;
     value = v ;
  }

5）总结

通过剖析虚拟机源码咱们证实了 hashCode 不是间接用的内存地址，而是采取肯定的算法来生成

hashcode 值的存储在 mark word 里，与锁共用一段 bit 位，这就造成了跟锁状态相关性

  • 如果是偏差锁：

一旦调用 hashcode，偏差锁将被撤销，hashcode 被保留占位 mark word，对象被打回无锁状态

  • 那偏偏这会就是有线程硬性应用对象的锁呢？

对象再也回不到偏差锁状态而是降级为重量级锁。hash code 追随 mark word 被挪动到 c 的 object monitor，从那里取

本文由传智教育博学谷 – 狂野架构师教研团队公布，转载请注明出处！

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正文完
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发表至： java
2022-08-01
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