专栏首页JavaEdgeJVM源码分析之synchronized1 字节码实现2 偏向锁

JVM源码分析之synchronized1 字节码实现2 偏向锁

1 字节码实现

javap命令生成的字节码中包含 ** monitorenter ** 和 ** monitorexit **指令

synchronized关键字基于上述两个指令实现了锁的获取和释放过程,解释器执行monitorenter时会进入到InterpreterRuntime.cppInterpreterRuntime::monitorenter函数

JavaThread* thread指向java中的当前线程 BasicObjectLock类型的elem对象包含一个BasicLock类型 _lock 对象和一个指向Object对象的指针 _obj

class BasicObjectLock {
  BasicLock _lock; 
  // object holds the lock;
  oop  _obj;   
}

BasicLock类型 _lock 对象主要用来保存 _obj 所指向的Object对象的对象头数据

class BasicLock {
    volatile markOop _displaced_header;
}

UseBiasedLocking标识虚拟机是否开启偏向锁功能,如果开启则执行fast_enter逻辑,否则执行slow_enter

2 偏向锁

2.1 引入偏向锁的目的

在没有多线程竞争的情况下,尽量减少不必要的轻量级锁执行路径 轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS指令,而偏向锁只依赖一次CAS原子指令置换ThreadID,不过一旦出现多个线程竞争时必须撤销偏向锁,所以撤销偏向锁消耗的性能必须小于之前节省下来的CAS原子操作的性能消耗,不然得不偿失 JDK 1.6中默认开启偏向锁,可以通过-XX:-UseBiasedLocking来禁用偏向锁

在HotSpot中,偏向锁的入口位于synchronizer.cpp文件的ObjectSynchronizer::fast_enter函数:

2.2 偏向锁的获取

BiasedLocking::revoke_and_rebias方法实现,逻辑如下: 1、通过markOop mark = obj->mark()获取对象的markOop数据mark,即对象头的Mark Word 2、判断mark是否为可偏向状态,即mark的偏向锁标志位为 1,锁标志位为 01 3、判断mark中JavaThread的状态:如果为空,则进入步骤(4);如果指向当前线程,则执行同步代码块;如果指向其它线程,进入步骤(5); 4、通过CAS原子指令设置mark中JavaThread为当前线程ID,如果执行CAS成功,则执行同步代码块,否则进入步骤(5); 5、如果执行CAS失败,表示当前存在多个线程竞争锁,当达到全局安全点(safepoint),获得偏向锁的线程被挂起,撤销偏向锁,并升级为轻量级,升级完成后被阻塞在安全点的线程继续执行同步代码块;

2.3 偏向锁的撤销

只有当其它线程尝试竞争偏向锁时,持有偏向锁的线程才会释放锁,偏向锁的撤销由BiasedLocking::revoke_at_safepoint方法实现:

1、偏向锁的撤销动作必须等待全局安全点; 2、暂停拥有偏向锁的线程,判断锁对象是否处于被锁定状态; 3、撤销偏向锁,恢复到无锁(标志位为 01)或轻量级锁(标志位为 00)的状态;

偏向锁在Java 1.6之后是默认启用的,但在应用程序启动几秒钟之后才激活,可以使用 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 参数关闭延迟,如果确定应用程序中所有锁通常情况下处于竞争状态,可以通过 XX:-UseBiasedLocking=false 参数关闭偏向锁。

2.4 轻量级锁

2.4.1 引入轻量级锁的目的

在多线程交替执行同步块的情况下,尽量避免重量级锁引起的性能消耗,但是如果多个线程在同一时刻进入临界区,会导致轻量级锁膨胀升级重量级锁,所以轻量级锁的出现并非是要替代重量级锁

2.4.2 轻量级锁的获取

当关闭偏向锁功能,或多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁,会尝试获取轻量级锁,其入口位于ObjectSynchronizer::slow_enter

1、markOop mark = obj->mark()方法获取对象的markOop数据mark; 2、mark->is_neutral()方法判断mark是否为无锁状态:mark的偏向锁标志位为 0,锁标志位为 01; 3、如果mark处于无锁状态,则进入步骤(4),否则执行步骤(6); 4、把mark保存到BasicLock对象的_displaced_header字段; 5、通过CAS尝试将Mark Word更新为指向BasicLock对象的指针,如果更新成功,表示竞争到锁,则执行同步代码,否则执行步骤(6); 6、如果当前mark处于加锁状态,且mark中的ptr指针指向当前线程的栈帧,则执行同步代码,否则说明有多个线程竞争轻量级锁,轻量级锁需要膨胀升级为重量级锁;

假设线程A和B同时执行到临界区if (mark->is_neutral()): 1、线程AB都把Mark Word复制到各自的_displaced_header字段,该数据保存在线程的栈帧上,是线程私有的; 2、Atomic::cmpxchg_ptr原子操作保证只有一个线程可以把指向栈帧的指针复制到Mark Word,假设此时线程A执行成功,并返回继续执行同步代码块; 3、线程B执行失败,退出临界区,通过ObjectSynchronizer::inflate方法开始膨胀锁;

轻量级锁的释放

轻量级锁的释放通过ObjectSynchronizer::fast_exit完成。

1、确保处于偏向锁状态时不会执行这段逻辑; 2、取出在获取轻量级锁时保存在BasicLock对象的mark数据dhw; 3、通过CAS尝试把dhw替换到当前的Mark Word,如果CAS成功,说明成功的释放了锁,否则执行步骤(4); 4、如果CAS失败,说明有其它线程在尝试获取该锁,这时需要将该锁升级为重量级锁,并释放;

重量级锁

重量级锁通过对象内部的监视器(monitor)实现,其中monitor的本质是依赖于底层操作系统的Mutex Lock实现,操作系统实现线程之间的切换需要从用户态到内核态的切换,切换成本非常高。

锁膨胀过程

锁的膨胀过程通过ObjectSynchronizer::inflate函数实现

膨胀过程的实现比较复杂,截图中只是一小部分逻辑,完整的方法可以查看synchronized.cpp,大概实现过程如下: 1、整个膨胀过程在自旋下完成; 2、mark->has_monitor()方法判断当前是否为重量级锁,即Mark Word的锁标识位为 10,如果当前状态为重量级锁,执行步骤(3),否则执行步骤(4); 3、mark->monitor()方法获取指向ObjectMonitor的指针,并返回,说明膨胀过程已经完成; 4、如果当前锁处于膨胀中,说明该锁正在被其它线程执行膨胀操作,则当前线程就进行自旋等待锁膨胀完成,这里需要注意一点,虽然是自旋操作,但不会一直占用cpu资源,每隔一段时间会通过os::NakedYield方法放弃cpu资源,或通过park方法挂起;如果其他线程完成锁的膨胀操作,则退出自旋并返回; 5、如果当前是轻量级锁状态,即锁标识位为 00,膨胀过程如下:

1、通过omAlloc方法,获取一个可用的ObjectMonitor monitor,并重置monitor数据; 2、通过CAS尝试将Mark Word设置为markOopDesc:INFLATING,标识当前锁正在膨胀中,如果CAS失败,说明同一时刻其它线程已经将Mark Word设置为markOopDesc:INFLATING,当前线程进行自旋等待膨胀完成; 3、如果CAS成功,设置monitor的各个字段:_header、_owner和_object等,并返回;

monitor竞争

当锁膨胀完成并返回对应的monitor时,并不表示该线程竞争到了锁,真正的锁竞争发生在ObjectMonitor::enter方法中。

1、通过CAS尝试把monitor的_owner字段设置为当前线程; 2、如果设置之前的_owner指向当前线程,说明当前线程再次进入monitor,即重入锁,执行_recursions ++ ,记录重入的次数; 3、如果之前的_owner指向的地址在当前线程中,这种描述有点拗口,换一种说法:之前_owner指向的BasicLock在当前线程栈上,说明当前线程是第一次进入该monitor,设置_recursions为1,_owner为当前线程,该线程成功获得锁并返回; 4、如果获取锁失败,则等待锁的释放;

monitor等待

monitor竞争失败的线程,通过自旋执行ObjectMonitor::EnterI方法等待锁的释放,EnterI方法的部分逻辑实现如下:

1、当前线程被封装成ObjectWaiter对象node,状态设置成ObjectWaiter::TS_CXQ; 2、在for循环中,通过CAS把node节点push到_cxq列表中,同一时刻可能有多个线程把自己的node节点push到_cxq列表中; 3、node节点push到_cxq列表之后,通过自旋尝试获取锁,如果还是没有获取到锁,则通过park将当前线程挂起,等待被唤醒,实现如下:

4、当该线程被唤醒时,会从挂起的点继续执行,通过ObjectMonitor::TryLock尝试获取锁,TryLock方法实现如下:

其本质就是通过CAS设置monitor的_owner字段为当前线程,如果CAS成功,则表示该线程获取了锁,跳出自旋操作,执行同步代码,否则继续被挂起;

monitor释放

当某个持有锁的线程执行完同步代码块时,会进行锁的释放,给其它线程机会执行同步代码,在HotSpot中,通过退出monitor的方式实现锁的释放,并通知被阻塞的线程,具体实现位于ObjectMonitor::exit方法中。

1、如果是重量级锁的释放,monitor中的_owner指向当前线程,即THREAD == _owner; 2、根据不同的策略(由QMode指定),从cxq或EntryList中获取头节点,通过ObjectMonitor::ExitEpilog方法唤醒该节点封装的线程,唤醒操作最终由unpark完成,实现如下:

3、被唤醒的线程,继续执行monitor的竞争;

本文参与腾讯云自媒体分享计划,欢迎正在阅读的你也加入,一起分享。

我来说两句

0 条评论
登录 后参与评论

相关文章

  • Java源码解析 - ThreadPoolExecutor 线程池

    1.Q群【Java开发技术交流】:https://jq.qq.com/?_wv=1027&k=5UB4P1T

    JavaEdge
  • 线程安全与锁优化1 线程安全2 锁优化

    JavaEdge
  • Thread 源码面试

    每个线程都有一个优先级。优先级高的线程优先于优先级低的线程执行。每个线程可能被标记为守护线程,也可能不被标记为守护线程。

    JavaEdge
  • Java并发编程:synchronized和锁优化

    1. 使用方法 synchronized 是 java 中最常用的保证线程安全的方式,synchronized 的作用主要有三方面: 确保线程互斥的访问代码块,...

    butterfly100
  • 让人头大的各种锁,从这里让你思绪清晰

    说到了锁我们经常会联想到生活中的锁,在我们日常中我们经常会接触到锁。比如我们的手机锁,电脑锁,再比如我们生活中的门锁,这些都是锁。

    乱敲代码
  • .NET应用架构设计—服务端开发多线程使用小结(多线程使用常识)

    有一段时间没有更新博客了,最近半年都在着写书《.NET框架设计—大型企业级框架设计艺术》,很高兴这本书将于今年的10月份由图灵出版社出版,有关本书的具体介绍等书...

    王清培
  • 干货:Java并发编程系列之synchronized(一)

    技术zhai
  • 【你问我答】这些Java并发问题,专家是这么回答的

    针对上期Java高并发【你问我答】中读者提出的问题,王锐同学的回答如下。 一 ---- 美团内部使用过Akka么?有什么坑? ——Absurd “ 答: 只简...

    美团技术团队
  • Java 锁分类

    乐观锁是一种乐观思想,认为读多写少,遇到并发的可能性低,每次拿数据时候并不会上锁,因为认为不会被别人修改。但是更新的时候会判断有没有人会更新这条数据,采取写的时...

    Yif
  • 多个线程如何轮流打印ABC特定的次数?

    这类问题其实并不难,只要掌握了Java里面线程协作和锁的知识,就可以轻而易举的搞定:

    我是攻城师

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券