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Java Synchronized的偏向鎖詳細分析

 更新時間:2023年04月10日 09:32:47   作者:程序員李哈  
synchronized作為Java程序員最常用同步工具,很多人卻對它的用法和實現(xiàn)原理一知半解,以至于還有不少人認為synchronized是重量級鎖,性能較差,盡量少用。但不可否認的是synchronized依然是并發(fā)首選工具,本文就來詳細講講

上篇文章已經對Synchronized關鍵字做了初步的介紹,從字節(jié)碼層面介紹了Synchronized關鍵字,最終字節(jié)碼層面就是monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令。并且拿Synchronized關鍵字和Java的JUC包下的ReentrantLock做了比較。Synchronized關鍵字的初體驗-超鏈接地址

那么本篇文章將開始深入解析Synchronized關鍵字的底層原理,也就是解析Hotspot虛擬機對monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令的實現(xiàn)原理。

理論知識

相信各位讀者在準備面試中,都會背到關于Synchronized關鍵字的面試題,什么對象頭、鎖標志位、偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖,鎖升級的過程等等面試題。而對于一些不僅僅只想漂浮于表面的讀者來說,去看Synchronized底層源碼,只能說是一頭霧水。所以筆者有考慮這方面,所以理論知識(給臨時抱佛腳背理論的讀者)和底層源碼(給喜歡研究底層源碼的讀者)都會在這個系列中。

偏向鎖存在的意義:

先從字面意思來解釋,偏向于某個線程,是不是可以理解為偏向的這個線程獲取鎖都很效率呢?那么為什么要存在偏向鎖呢?讀者需要明白,任何框架存在的意義不僅僅是為了某一部分場景,肯定需要適配大部分場景,而Synchronized關鍵字使用的場景可能并發(fā)高,可能并發(fā)低,可能幾乎不存在并發(fā),所以實現(xiàn)者需要幫用戶去適配不同的場景,達到效率最高化。而對于幾乎不存在并發(fā)的場景,是不是可以理解為幾乎只有一個線程拿到Synchronized鎖,所以就存在偏向鎖去優(yōu)化這種場景,不讓所有場景都去走很復雜的邏輯。

偏向鎖實現(xiàn)的流程:

  • 拿到鎖競爭對象
  • 從當前線程棧中獲取到一個沒有使用的BasicObjectLock(用于記錄鎖狀態(tài))
  • 查看當前是否開啟了偏向鎖模式
  • 查看當前偏向鎖是否偏向的是當前線程,如果偏向的是當前線程,直接退出(可以理解成命中緩存)
  • 查看當前是否已經鎖升級了,并且嘗試撤銷偏向鎖(想象一下并發(fā)過程中,可能其他線程已經完成了鎖對象的鎖升級)
  • 當前epoch是否發(fā)生了改變,如果發(fā)生了改變,當前線程可以嘗試獲取偏向鎖,嘗試成功直接退出
  • 當前是否是匿名偏向,或者已經偏向于某個線程,但是不是當前線程,此時可以嘗試獲取鎖,獲取成功直接退出
  • 如果不支持偏向鎖或者第5步的撤銷偏向鎖失敗了,此時嘗試膨脹成輕量級鎖,如果輕量級鎖膨脹失敗了就繼續(xù)往上鎖膨脹

流程圖如下(僅只有偏向鎖邏輯)

源碼論證

首先,我們先需要知道Synchronized底層源碼的入口在哪里,在字節(jié)碼層面表示為monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令,而我們知道JVM是負責執(zhí)行字節(jié)碼,最終轉換成不同CPU平臺的ISA指令集(也稱之為跨平臺)。而JVM執(zhí)行字節(jié)碼分為

  • CPP解釋執(zhí)行
  • 模板解釋執(zhí)行(匯編)
  • JIT編譯執(zhí)行

一級一級的優(yōu)化,而最根本是CPP解釋執(zhí)行,后者都是基于CPP解釋執(zhí)行的不斷優(yōu)化,后者的難度極大,所以讀者弄明白CPP解釋執(zhí)行就即可。

在Hotspot源碼中,CPP解釋執(zhí)行的入口在bytecodeInterpreter.cpp文件(這里要注意,JDK1.8不同版本對synchronized關鍵字實現(xiàn)有區(qū)別,所以本文選的是jdk8u40版本,其他版本可能沒有偏向鎖等等邏輯)

首先,讀者明白,使用Synchronized關鍵字時需要一個鎖對象,而底層就是操作這個鎖對象的對象頭,所以我們先從markOop.hpp文件中找到對象頭的描述信息,是不是跟外面8股文描述的一模一樣呢??

對象頭熟悉以后,源碼中就是操作對象頭,不同的鎖狀態(tài)設置不同對象頭,用對象頭來表示不同的鎖狀態(tài),替換對象頭的原子性依靠CAS來保證。如果存在并發(fā),那么CAS競爭失敗的線程就會往下走,一步一步的鎖升級,反而如果沒有競爭那就默認使用偏向鎖。

下面是Hotspot中C++解釋器對于monitorenter字節(jié)碼指令的解釋執(zhí)行源碼(注釋特別詳細)。

CASE(_monitorenter): {
        // 拿到鎖對象
        oop lockee = STACK_OBJECT(-1);
        // derefing's lockee ought to provoke implicit null check
        CHECK_NULL(lockee);
        // find a free monitor or one already allocated for this object
        // if we find a matching object then we need a new monitor
        // since this is recursive enter
        // 從當前線程棧中找到一個沒有被使用的BasicObjectLock
        // 作用:用來記錄鎖狀態(tài)
        BasicObjectLock* limit = istate->monitor_base();
        BasicObjectLock* most_recent = (BasicObjectLock*) istate->stack_base();
        BasicObjectLock* entry = NULL;
        while (most_recent != limit ) {
          if (most_recent->obj() == NULL) entry = most_recent;
          else if (most_recent->obj() == lockee) break;
          most_recent++;
        }
        if (entry != NULL) {
          // 搶坑,為什么這里不需要CAS,因為屬于線程棧(線程變量),線程安全。
          entry->set_obj(lockee);
          int success = false;
          // 得到epoch的掩碼。
          uintptr_t epoch_mask_in_place = (uintptr_t)markOopDesc::epoch_mask_in_place;
          // 得到當前鎖對象的對象頭。
          markOop mark = lockee->mark();
          intptr_t hash = (intptr_t) markOopDesc::no_hash;
          // implies UseBiasedLocking
          // 當前是偏向鎖模式,可以用JVM參數(shù)UseBiasedLocking控制
          if (mark->has_bias_pattern()) {
            uintptr_t thread_ident;
            uintptr_t anticipated_bias_locking_value;
            thread_ident = (uintptr_t)istate->thread();
            // lockee->klass()->prototype_header() 是否拿到對象的類模板的頭部信息。
            // lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident) 是類模板頭部信息組合上線程id
            // mark 是當前鎖對象的頭部信息。
            // markOopDesc::age_mask_in_place 是當前對象的年齡信息。
            // 所以與年齡無關
            // 所以拿鎖對象的原型對象的對象頭控制
            // lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident) ^ (uintptr_t)mark 如果為0 代表當前對象頭偏向鎖偏向了當前線程
            anticipated_bias_locking_value =
              (((uintptr_t)lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident) ^ (uintptr_t)mark) &
              ~((uintptr_t) markOopDesc::age_mask_in_place);
            // 等于0代表當前鎖對象頭部和類模板頭部一樣。
            // 所以這是一次偏向鎖的命中。
            if  (anticipated_bias_locking_value == 0) {
              // already biased towards this thread, nothing to do
              if (PrintBiasedLockingStatistics) {
                (* BiasedLocking::biased_lock_entry_count_addr())++;
              }
              success = true;
            }
            // 當前對象頭已經膨脹成輕量級或者重量級鎖了。也即非偏向鎖。
            else if ((anticipated_bias_locking_value & markOopDesc::biased_lock_mask_in_place) != 0) {
              // try revoke bias
              // 嘗試撤銷偏向鎖
              markOop header = lockee->klass()->prototype_header();
              if (hash != markOopDesc::no_hash) {
                header = header->copy_set_hash(hash);
              }
              // CAS嘗試取消偏向
              if (Atomic::cmpxchg_ptr(header, lockee->mark_addr(), mark) == mark) {
                if (PrintBiasedLockingStatistics)
                  (*BiasedLocking::revoked_lock_entry_count_addr())++;
              }
            }
            // 來到這里可能表示當前偏向于其他線程。
            // 而epoch發(fā)生了變動,表示批量撤銷偏向鎖了。
            // 當前線程可以嘗試爭搶一次偏向鎖,沒有成功就去鎖升級
            else if ((anticipated_bias_locking_value & epoch_mask_in_place) !=0) {
              // try rebias
              // 嘗試重偏向
              markOop new_header = (markOop) ( (intptr_t) lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident);
              if (hash != markOopDesc::no_hash) {
                new_header = new_header->copy_set_hash(hash);
              }
              // CAS競爭,重偏向。
              if (Atomic::cmpxchg_ptr((void*)new_header, lockee->mark_addr(), mark) == mark) {
                if (PrintBiasedLockingStatistics)
                  (* BiasedLocking::rebiased_lock_entry_count_addr())++;
              }
              // CAS失敗,鎖升級
              else {
                  // 鎖升級邏輯
                CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception);
              }
              success = true;
            }
            // 來到這里表示,當前是匿名偏向鎖(也即暫時還沒有線程占用)
            // 或者是已經偏向了某個線程,所以這里CAS嘗試一次
            else {
              // try to bias towards thread in case object is anonymously biased
              markOop header = (markOop) ((uintptr_t) mark & ((uintptr_t)markOopDesc::biased_lock_mask_in_place |
                                                              (uintptr_t)markOopDesc::age_mask_in_place |
                                                              epoch_mask_in_place));
              if (hash != markOopDesc::no_hash) {
                header = header->copy_set_hash(hash);
              }
              markOop new_header = (markOop) ((uintptr_t) header | thread_ident);
              // debugging hint
              DEBUG_ONLY(entry->lock()->set_displaced_header((markOop) (uintptr_t) 0xdeaddead);)
              // 如果是匿名偏向,這個CAS就有可能成功
              // 如果是已經偏向其他線程,這個CAS不能成功,直接往鎖升級走
              if (Atomic::cmpxchg_ptr((void*)new_header, lockee->mark_addr(), header) == header) {
                if (PrintBiasedLockingStatistics)
                  (* BiasedLocking::anonymously_biased_lock_entry_count_addr())++;
              }
              // cas失敗
              else {
                  // 鎖升級邏輯
                CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception);
              }
              success = true;
            }
          }
          // traditional lightweight locking
          // case1:如果當前已經鎖升級了
          // case2:如果當前不支持偏向鎖
          if (!success) {
            markOop displaced = lockee->mark()->set_unlocked();
            entry->lock()->set_displaced_header(displaced);
            bool call_vm = UseHeavyMonitors;
            // UseHeavyMonitors是JVM參數(shù),是否直接開啟重量級鎖
            // 如果不直接開啟,就CAS競爭輕量級鎖,競爭成功就直接返回
            if (call_vm || Atomic::cmpxchg_ptr(entry, lockee->mark_addr(), displaced) != displaced) {
              // Is it simple recursive case?
              // CAS失敗可能是鎖重入,如果不是鎖重入,那么就是競爭失敗要往鎖升級邏輯走了。
              if (!call_vm && THREAD->is_lock_owned((address) displaced->clear_lock_bits())) {
                  // 輕量級鎖的鎖重入
                entry->lock()->set_displaced_header(NULL);
              } else {
                  // 鎖升級邏輯
                CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception);
              }
            }
          }
          UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(1, -1);
        } else {
          istate->set_msg(more_monitors);
          UPDATE_PC_AND_RETURN(0); // Re-execute
        }
      }

要明白偏向鎖對應的對象頭的幾個部分的意義,然后帶入到源碼中就比較容易理解。

  • 線程對象:偏向于那個線程(當沒有線程對象時,就代表是匿名偏向,此時線程都可以去競爭)
  • epoch:是否發(fā)生了批量鎖撤銷(為什么要鎖撤銷?因為偏向鎖升級為輕量級鎖就需要撤銷)
  • 偏向鎖標志位:0表示無鎖,1表示偏向鎖(偏向鎖和無鎖的鎖標志位都是01)
  • 鎖標志位:表示不同鎖狀態(tài),偏向鎖表示為01(要注意無鎖也是表示為01,所以需要額外的偏向鎖標志位來區(qū)分是無鎖還是偏向鎖)

總結

可能源碼部分一直是一個難點,操作的內容太多了,并且還是C++實現(xiàn)的。但是從對象頭的角度去分析理解還是很有幫助。

到此這篇關于Java Synchronized的偏向鎖詳細分析的文章就介紹到這了,更多相關Java Synchronized偏向鎖內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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