Java Synchronized的偏向鎖詳細(xì)分析
上篇文章已經(jīng)對(duì)Synchronized關(guān)鍵字做了初步的介紹,從字節(jié)碼層面介紹了Synchronized關(guān)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(guān)鍵字和Java的JUC包下的ReentrantLock做了比較。Synchronized關(guān)鍵字的初體驗(yàn)-超鏈接地址
那么本篇文章將開始深入解析Synchronized關(guān)鍵字的底層原理,也就是解析Hotspot虛擬機(jī)對(duì)monitorenter和monitorexit字節(jié)碼指令的實(shí)現(xiàn)原理。
理論知識(shí)
相信各位讀者在準(zhǔn)備面試中,都會(huì)背到關(guān)于Synchronized關(guān)鍵字的面試題,什么對(duì)象頭、鎖標(biāo)志位、偏向鎖、輕量級(jí)鎖、重量級(jí)鎖,鎖升級(jí)的過程等等面試題。而對(duì)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(shí)(給臨時(shí)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(huì)在這個(gè)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(gè)線程,是不是可以理解為偏向的這個(gè)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(guān)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(shí)現(xiàn)者需要幫用戶去適配不同的場景,達(dá)到效率最高化。而對(duì)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(gè)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(fù)雜的邏輯。
偏向鎖實(shí)現(xiàn)的流程:
- 拿到鎖競爭對(duì)象
- 從當(dāng)前線程棧中獲取到一個(gè)沒有使用的BasicObjectLock(用于記錄鎖狀態(tài))
- 查看當(dāng)前是否開啟了偏向鎖模式
- 查看當(dāng)前偏向鎖是否偏向的是當(dāng)前線程,如果偏向的是當(dāng)前線程,直接退出(可以理解成命中緩存)
- 查看當(dāng)前是否已經(jīng)鎖升級(jí)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(jīng)完成了鎖對(duì)象的鎖升級(jí))
- 當(dāng)前epoch是否發(fā)生了改變,如果發(fā)生了改變,當(dāng)前線程可以嘗試獲取偏向鎖,嘗試成功直接退出
- 當(dāng)前是否是匿名偏向,或者已經(jīng)偏向于某個(gè)線程,但是不是當(dāng)前線程,此時(shí)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(shí)嘗試膨脹成輕量級(jí)鎖,如果輕量級(jí)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(fù)責(zé)執(zhí)行字節(jié)碼,最終轉(zhuǎn)換成不同CPU平臺(tái)的ISA指令集(也稱之為跨平臺(tái))。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(jí)一級(jí)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(duì)synchronized關(guān)鍵字實(shí)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(guān)鍵字時(shí)需要一個(gè)鎖對(duì)象,而底層就是操作這個(gè)鎖對(duì)象的對(duì)象頭,所以我們先從markOop.hpp文件中找到對(duì)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(duì)象頭熟悉以后,源碼中就是操作對(duì)象頭,不同的鎖狀態(tài)設(shè)置不同對(duì)象頭,用對(duì)象頭來表示不同的鎖狀態(tài),替換對(duì)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(huì)往下走,一步一步的鎖升級(jí),反而如果沒有競爭那就默認(rèn)使用偏向鎖。
下面是Hotspot中C++解釋器對(duì)于monitorenter字節(jié)碼指令的解釋執(zhí)行源碼(注釋特別詳細(xì))。
CASE(_monitorenter): {
// 拿到鎖對(duì)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(dāng)前線程棧中找到一個(gè)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?yàn)閷儆诰€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(dāng)前鎖對(duì)象的對(duì)象頭。
markOop mark = lockee->mark();
intptr_t hash = (intptr_t) markOopDesc::no_hash;
// implies UseBiasedLocking
// 當(dāng)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(duì)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(dāng)前鎖對(duì)象的頭部信息。
// markOopDesc::age_mask_in_place 是當(dāng)前對(duì)象的年齡信息。
// 所以與年齡無關(guān)
// 所以拿鎖對(duì)象的原型對(duì)象的對(duì)象頭控制
// lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident) ^ (uintptr_t)mark 如果為0 代表當(dāng)前對(duì)象頭偏向鎖偏向了當(dāng)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(dāng)前鎖對(duì)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(dāng)前對(duì)象頭已經(jīng)膨脹成輕量級(jí)或者重量級(jí)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(dāng)前偏向于其他線程。
// 而epoch發(fā)生了變動(dòng),表示批量撤銷偏向鎖了。
// 當(dāng)前線程可以嘗試爭搶一次偏向鎖,沒有成功就去鎖升級(jí)
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(jí)
else {
// 鎖升級(jí)邏輯
CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception);
}
success = true;
}
// 來到這里表示,當(dāng)前是匿名偏向鎖(也即暫時(shí)還沒有線程占用)
// 或者是已經(jīng)偏向了某個(gè)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(gè)CAS就有可能成功
// 如果是已經(jīng)偏向其他線程,這個(gè)CAS不能成功,直接往鎖升級(jí)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(jí)邏輯
CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception);
}
success = true;
}
}
// traditional lightweight locking
// case1:如果當(dāng)前已經(jīng)鎖升級(jí)了
// case2:如果當(dāng)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(jí)鎖
// 如果不直接開啟,就CAS競爭輕量級(jí)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(jí)邏輯走了。
if (!call_vm && THREAD->is_lock_owned((address) displaced->clear_lock_bits())) {
// 輕量級(jí)鎖的鎖重入
entry->lock()->set_displaced_header(NULL);
} else {
// 鎖升級(jí)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(duì)應(yīng)的對(duì)象頭的幾個(gè)部分的意義,然后帶入到源碼中就比較容易理解。
- 線程對(duì)象:偏向于那個(gè)線程(當(dāng)沒有線程對(duì)象時(shí),就代表是匿名偏向,此時(shí)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?yàn)槠蜴i升級(jí)為輕量級(jí)鎖就需要撤銷)
- 偏向鎖標(biāo)志位:0表示無鎖,1表示偏向鎖(偏向鎖和無鎖的鎖標(biāo)志位都是01)
- 鎖標(biāo)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(biāo)志位來區(qū)分是無鎖還是偏向鎖)
總結(jié)
可能源碼部分一直是一個(gè)難點(diǎn),操作的內(nèi)容太多了,并且還是C++實(shí)現(xiàn)的。但是從對(duì)象頭的角度去分析理解還是很有幫助。
到此這篇關(guān)于Java Synchronized的偏向鎖詳細(xì)分析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java Synchronized偏向鎖內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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