JVM源码分析之synchronized实现
java內(nèi)部鎖synchronized的出現(xiàn),為多線程的并發(fā)執(zhí)行提供了一個穩(wěn)定的環(huán)境,有效的防止多個線程同時執(zhí)行同一個邏輯,其實這篇文章應(yīng)該寫在深入分析Object.wait/notify實現(xiàn)機(jī)制之前,本文不會講如何使用synchronized,以HotSpot1.7的虛擬機(jī)為例,對synchronized的實現(xiàn)進(jìn)行深入分析。
synchronized的HotSpot實現(xiàn)依賴于對象頭的Mark Word,關(guān)于Mark Word的描述可以參考這篇文章《java對象頭的HotSpot實現(xiàn)分析》
synchronized字節(jié)碼實現(xiàn)
通過javap命令生成的字節(jié)碼中包含 monitorenter 和 monitorexit 指令。
synchronized關(guān)鍵字基于上述兩個指令實現(xiàn)了鎖的獲取和釋放過程,解釋器執(zhí)行monitorenter時會進(jìn)入到InterpreterRuntime.cpp的InterpreterRuntime::monitorenter函數(shù),具體實現(xiàn)如下:
1、JavaThread thread指向java中的當(dāng)前線程;
2、BasicObjectLock類型的elem對象包含一個BasicLock類型_lock對象和一個指向Object對象的指針_obj;
3、BasicLock類型_lock對象主要用來保存_obj指向Object對象的對象頭數(shù)據(jù);
class BasicLock {volatile markOop _displaced_header; }4、UseBiasedLocking標(biāo)識虛擬機(jī)是否開啟偏向鎖功能,如果開啟則執(zhí)行fast_enter邏輯,否則執(zhí)行slow_enter;
偏向鎖
引入偏向鎖的目的:在沒有多線程競爭的情況下,盡量減少不必要的輕量級鎖執(zhí)行路徑,輕量級鎖的獲取及釋放依賴多次CAS原子指令,而偏向鎖只依賴一次CAS原子指令置換ThreadID,不過一旦出現(xiàn)多個線程競爭時必須撤銷偏向鎖,所以撤銷偏向鎖消耗的性能必須小于之前節(jié)省下來的CAS原子操作的性能消耗,不然就得不償失了。JDK 1.6中默認(rèn)開啟偏向鎖,可以通過-XX:-UseBiasedLocking來禁用偏向鎖。
在HotSpot中,偏向鎖的入口位于synchronizer.cpp文件的ObjectSynchronizer::fast_enter函數(shù):
偏向鎖的獲取
偏向鎖的獲取由BiasedLocking::revoke_and_rebias方法實現(xiàn),由于實現(xiàn)比較長,就不貼代碼了,實現(xiàn)邏輯如下:
1、通過markOop mark = obj->mark()獲取對象的markOop數(shù)據(jù)mark,即對象頭的Mark Word;
2、判斷mark是否為可偏向狀態(tài),即mark的偏向鎖標(biāo)志位為 1,鎖標(biāo)志位為 01;
3、判斷mark中JavaThread的狀態(tài):如果為空,則進(jìn)入步驟(4);如果指向當(dāng)前線程,則執(zhí)行同步代碼塊;如果指向其它線程,進(jìn)入步驟(5);
4、通過CAS原子指令設(shè)置mark中JavaThread為當(dāng)前線程ID,如果執(zhí)行CAS成功,則執(zhí)行同步代碼塊,否則進(jìn)入步驟(5);
5、如果執(zhí)行CAS失敗,表示當(dāng)前存在多個線程競爭鎖,當(dāng)達(dá)到全局安全點(safepoint),獲得偏向鎖的線程被暫停(有多地方說是掛起,掛起也是暫停的意思,不是真的掛起),撤銷偏向鎖,并升級為輕量級,升級完成后被阻塞在安全點的線程繼續(xù)執(zhí)行同步代碼塊;
偏向鎖的撤銷
只有當(dāng)其它線程嘗試競爭偏向鎖時,持有偏向鎖的線程才會釋放鎖,偏向鎖的撤銷由BiasedLocking::revoke_at_safepoint方法實現(xiàn):
1、偏向鎖的撤銷動作必須等待全局安全點;
2、暫停擁有偏向鎖的線程,判斷鎖對象是否處于被鎖定狀態(tài);
3、撤銷偏向鎖,恢復(fù)到無鎖(標(biāo)志位為 01)或輕量級鎖(標(biāo)志位為 00)的狀態(tài);
偏向鎖在Java 1.6之后是默認(rèn)啟用的,但在應(yīng)用程序啟動幾秒鐘之后才激活,可以使用-XX:BiasedLockingStartupDelay=0參數(shù)關(guān)閉延遲,如果確定應(yīng)用程序中所有鎖通常情況下處于競爭狀態(tài),可以通過XX:-UseBiasedLocking=false參數(shù)關(guān)閉偏向鎖。
輕量級鎖
引入輕量級鎖的目的:在多線程交替執(zhí)行同步塊的情況下,盡量避免重量級鎖引起的性能消耗,但是如果多個線程在同一時刻進(jìn)入臨界區(qū),會導(dǎo)致輕量級鎖膨脹升級重量級鎖,所以輕量級鎖的出現(xiàn)并非是要替代重量級鎖。
輕量級鎖的獲取
當(dāng)關(guān)閉偏向鎖功能,或多個線程競爭偏向鎖導(dǎo)致偏向鎖升級為輕量級鎖,會嘗試獲取輕量級鎖,其入口位于ObjectSynchronizer::slow_enter
1、markOop mark = obj->mark()方法獲取對象的markOop數(shù)據(jù)mark;
2、mark->is_neutral()方法判斷mark是否為無鎖狀態(tài):mark的偏向鎖標(biāo)志位為 0,鎖標(biāo)志位為01;
3、如果mark處于無鎖狀態(tài),則進(jìn)入步驟(4),否則執(zhí)行步驟(6);
4、把mark保存到BasicLock對象的_displaced_header字段;
5、通過CAS嘗試將Mark Word更新為指向BasicLock對象的指針,如果更新成功,表示競爭到鎖,則執(zhí)行同步代碼,否則執(zhí)行步驟(6);
6、如果當(dāng)前mark處于加鎖狀態(tài),且mark中的ptr指針指向當(dāng)前線程的棧幀,則執(zhí)行同步代碼,否則說明有多個線程競爭輕量級鎖,輕量級鎖需要膨脹升級為重量級鎖;
假設(shè)線程A和B同時執(zhí)行到臨界區(qū)if (mark->is_neutral()):
1、線程AB都把Mark Word復(fù)制到各自的_displaced_header字段,該數(shù)據(jù)保存在線程的棧幀上,是線程私有的;
2、Atomic::cmpxchg_ptr原子操作保證只有一個線程可以把指向棧幀的指針復(fù)制到Mark Word,假設(shè)此時線程A執(zhí)行成功,并返回繼續(xù)執(zhí)行同步代碼塊;
3、線程B執(zhí)行失敗,退出臨界區(qū),通過ObjectSynchronizer::inflate方法開始膨脹鎖;
輕量級鎖的釋放
輕量級鎖的釋放通過ObjectSynchronizer::fast_exit完成。
1、確保處于偏向鎖狀態(tài)時不會執(zhí)行這段邏輯;
2、取出在獲取輕量級鎖時保存在BasicLock對象的mark數(shù)據(jù)dhw;
3、通過CAS嘗試把dhw替換到當(dāng)前的Mark Word,如果CAS成功,說明成功的釋放了鎖,否則執(zhí)行步驟(4);
4、如果CAS失敗,說明有其它線程在嘗試獲取該鎖,這時需要將該鎖升級為重量級鎖,并釋放;
重量級鎖
重量級鎖通過對象內(nèi)部的監(jiān)視器(monitor)實現(xiàn),其中monitor的本質(zhì)是依賴于底層操作系統(tǒng)的Mutex Lock實現(xiàn),操作系統(tǒng)實現(xiàn)線程之間的切換需要從用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài)的切換,切換成本非常高。
鎖膨脹過程
鎖的膨脹過程通過ObjectSynchronizer::inflate函數(shù)實現(xiàn)
膨脹過程的實現(xiàn)比較復(fù)雜,截圖中只是一小部分邏輯,完整的方法可以查看synchronized.cpp,大概實現(xiàn)過程如下:
1、整個膨脹過程在自旋下完成;
2、mark->has_monitor()方法判斷當(dāng)前是否為重量級鎖,即Mark Word的鎖標(biāo)識位為 10,如果當(dāng)前狀態(tài)為重量級鎖,執(zhí)行步驟(3),否則執(zhí)行步驟(4);
3、mark->monitor()方法獲取指向ObjectMonitor的指針,并返回,說明膨脹過程已經(jīng)完成;
4、如果當(dāng)前鎖處于膨脹中,說明該鎖正在被其它線程執(zhí)行膨脹操作,則當(dāng)前線程就進(jìn)行自旋等待鎖膨脹完成,這里需要注意一點,雖然是自旋操作,但不會一直占用cpu資源,每隔一段時間會通過os::NakedYield方法放棄cpu資源,或通過park方法掛起;如果其他線程完成鎖的膨脹操作,則退出自旋并返回;
5、如果當(dāng)前是輕量級鎖狀態(tài),即鎖標(biāo)識位為 00,膨脹過程如下:
1、通過omAlloc方法,獲取一個可用的ObjectMonitor monitor,并重置monitor數(shù)據(jù);
2、通過CAS嘗試將Mark Word設(shè)置為markOopDesc:INFLATING,標(biāo)識當(dāng)前鎖正在膨脹中,如果CAS失敗,說明同一時刻其它線程已經(jīng)將Mark Word設(shè)置為markOopDesc:INFLATING,當(dāng)前線程進(jìn)行自旋等待膨脹完成;
3、如果CAS成功,設(shè)置monitor的各個字段:_header、_owner和_object等,并返回;
monitor競爭
當(dāng)鎖膨脹完成并返回對應(yīng)的monitor時,并不表示該線程競爭到了鎖,真正的鎖競爭發(fā)生在ObjectMonitor::enter方法中。
1、通過CAS嘗試把monitor的_owner字段設(shè)置為當(dāng)前線程;
2、如果設(shè)置之前的_owner指向當(dāng)前線程,說明當(dāng)前線程再次進(jìn)入monitor,即重入鎖,執(zhí)行_recursions ++ ,記錄重入的次數(shù);
3、如果之前的_owner指向的地址在當(dāng)前線程中,這種描述有點拗口,換一種說法:之前_owner指向的BasicLock在當(dāng)前線程棧上,說明當(dāng)前線程是第一次進(jìn)入該monitor,設(shè)置_recursions為1,_owner為當(dāng)前線程,該線程成功獲得鎖并返回;
4、如果獲取鎖失敗,則等待鎖的釋放;
monitor等待
monitor競爭失敗的線程,通過自旋執(zhí)行ObjectMonitor::EnterI方法等待鎖的釋放,EnterI方法的部分邏輯實現(xiàn)如下:
1、當(dāng)前線程被封裝成ObjectWaiter對象node,狀態(tài)設(shè)置成ObjectWaiter::TS_CXQ;
2、在for循環(huán)中,通過CAS把node節(jié)點push到_cxq列表中,同一時刻可能有多個線程把自己的node節(jié)點push到_cxq列表中;
3、node節(jié)點push到_cxq列表之后,通過自旋嘗試獲取鎖,如果還是沒有獲取到鎖,則通過park將當(dāng)前線程掛起,等待被喚醒,實現(xiàn)如下:
4、當(dāng)該線程被喚醒時,會從掛起的點繼續(xù)執(zhí)行,通過ObjectMonitor::TryLock嘗試獲取鎖,TryLock方法實現(xiàn)如下:
其本質(zhì)就是通過CAS設(shè)置monitor的_owner字段為當(dāng)前線程,如果CAS成功,則表示該線程獲取了鎖,跳出自旋操作,執(zhí)行同步代碼,否則繼續(xù)被掛起;
monitor釋放
當(dāng)某個持有鎖的線程執(zhí)行完同步代碼塊時,會進(jìn)行鎖的釋放,給其它線程機(jī)會執(zhí)行同步代碼,在HotSpot中,通過退出monitor的方式實現(xiàn)鎖的釋放,并通知被阻塞的線程,具體實現(xiàn)位于ObjectMonitor::exit方法中。
1、如果是重量級鎖的釋放,monitor中的_owner指向當(dāng)前線程,即THREAD == _owner;
2、根據(jù)不同的策略(由QMode指定),從cxq或EntryList中獲取頭節(jié)點,通過ObjectMonitor::ExitEpilog方法喚醒該節(jié)點封裝的線程,喚醒操作最終由unpark完成,實現(xiàn)如下:
3、被喚醒的線程,繼續(xù)執(zhí)行monitor的競爭;
希望本文的分析可以讓大家對synchronized關(guān)鍵字有更加深刻的理解。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的JVM源码分析之synchronized实现的全部內(nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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