JVM源码分析之synchronized实现
synchronized的HotSpot实现依赖于对象头的Mark Word,关于Mark Word的描述可以参考这篇文章JVM源码分析之Java对象头实现
synchronized字节码实现
通过javap命令生成的字节码中包含 ** monitorenter ** 和 ** monitorexit **指令。
InterpreterRuntime.cpp
的InterpreterRuntime::monitorenter
函数,具体实现如下:1、JavaThread thread指向java中的当前线程;
2、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; }
3、BasicLock类型_lock对象主要用来保存_obj指向Object对象的对象头数据;
class BasicLock { volatile markOop _displaced_header;}
4、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;
偏向锁
在HotSpot中,偏向锁的入口位于synchronizer.cpp文件的ObjectSynchronizer::fast_enter
函数:
偏向锁的获取
偏向锁的获取由BiasedLocking::revoke_and_rebias
方法实现,由于实现比较长,就不贴代码了,实现逻辑如下:
通过
markOop mar
k = obj->mark()
获取对象的markOop数据mark,即对象头的Mark Word;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;
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);
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);
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;
偏向锁的撤销
BiasedLocking::revoke_at_safepoint
方法实现:.偏向锁的撤销动作必须等待全局安全点;
- 暂停拥有偏向锁的线程,判断锁对象是否处于被锁定状态;
- 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;
-
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。轻量级锁
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
markOop mark = obj->mark()
方法获取对象的markOop数据mark;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;- 如果mark处于无锁状态,则进入步骤(4),否则执行步骤(6);
- 把mark保存到BasicLock对象的_displaced_header字段;
- 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);
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())
:
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;ObjectSynchronizer::inflate
方法开始膨胀锁;轻量级锁的释放
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
锁膨胀过程
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:
- 整个膨胀过程在自旋下完成;
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);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;- 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;
- 如果当前是轻量级锁状态,即锁标识位为 00,膨胀过程如下:
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
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:
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。
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;
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