|
本文为死磕Synchronized底层实现第三篇文章，内容为轻量级锁实现。 轻量级锁并不复杂，其中很多内容在偏向锁一文中已提及过，与本文内容会有部分重叠。 另外轻量级锁的背景和基本流程在概论中已有讲解。强烈建议在看过两篇文章的基础下阅读本文。 本系列文章将对HotSpot的synchronized锁实现进行全面分析，内容包括偏向锁、轻量级锁、重量级锁的加锁、解锁、锁升级流程的原理及源码分析，希望给在研究synchronized路上的同学一些帮助。主要包括以下几篇文章： 死磕Synchronized底层实现--重量级锁（待更新） 本文分为两个部分： 1.轻量级锁获取流程 2.轻量级锁释放流程 本人看的JVM版本是jdk8u，具体版本号以及代码可以在这里看到。 轻量级锁获取流程CASE(_monitorenter): { oop lockee = STACK_OBJECT(-1); ... if (entry != NULL) { ... // 上面省略的代码中如果CAS操作失败也会调用到InterpreterRuntime::monitorenter // traditional lightweight locking if (!success) { // 构建一个无锁状态的Displaced Mark Word markOop displaced = lockee->mark()->set_unlocked(); // 设置到Lock Record中去 entry->lock()->set_displaced_header(displaced); bool call_vm = UseHeavyMonitors; if (call_vm || Atomic::cmpxchg_ptr(entry, lockee->mark_addr(), displaced) != displaced) { // 如果CAS替换不成功，代表锁对象不是无锁状态，这时候判断下是不是锁重入 // Is it simple recursive case? if (!call_vm && THREAD->is_lock_owned((address) displaced->clear_lock_bits())) { entry->lock()->set_displaced_header(NULL); } else { // CAS操作失败则调用monitorenter 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 }}
如果锁对象不是偏向模式或已经偏向其他线程，则success为false。这时候会构建一个无锁状态的mark word设置到Lock Record中去，我们称Lock Record中存储对象mark word的字段叫Displaced Mark Word。 如果当前锁的状态不是无锁状态，则CAS失败。如果这是一次锁重入，那直接将Lock Record的 Displaced Mark Word设置为null。 我们看个demo，在该demo中重复3次获得锁， synchronized(obj){ synchronized(obj){ synchronized(obj){ } }}
假设锁的状态是轻量级锁，下图反应了mark word和线程栈中Lock Record的状态，可以看到右边线程栈中包含3个指向当前锁对象的Lock Record。其中栈中最高位的Lock Record为第一次获取锁时分配的。其Displaced Mark word的值为锁对象的加锁前的mark word，之后的锁重入会在线程栈中分配一个Displaced Mark word为null的Lock Record。 为什么JVM选择在线程栈中添加Displaced Mark word为null的Lock Record来表示重入计数呢？首先锁重入次数是一定要记录下来的，因为每次解锁都需要对应一次加锁，解锁次数等于加锁次数时，该锁才真正的被释放，也就是在解锁时需要用到说锁重入次数的。一个简单的方案是将锁重入次数记录在对象头的mark word中，但mark word的大小是有限的，已经存放不下该信息了。另一个方案是只创建一个Lock Record并在其中记录重入次数，Hotspot没有这样做的原因我猜是考虑到效率有影响：每次重入获得锁都需要遍历该线程的栈找到对应的Lock Record，然后修改它的值。 所以最终Hotspot选择每次获得锁都添加一个Lock Record来表示锁的重入。 接下来看看InterpreterRuntime::monitorenter方法 IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem)) ... Handle h_obj(thread, elem->obj()); assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()), "must be NULL or an object"); if (UseBiasedLocking) { // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK); } else { ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK); } ...IRT_END
fast_enter的流程在偏向锁一文已经分析过，如果当前是偏向模式且偏向的线程还在使用锁，那会将锁的mark word改为轻量级锁的状态，同时会将偏向的线程栈中的Lock Record修改为轻量级锁对应的形式。代码位置在biasedLocking.cpp#212。 // 线程还存活则遍历线程栈中所有的Lock Record GrowableArray<MonitorInfo*>* cached_monitor_info = get_or_compute_monitor_info(biased_thread); BasicLock* highest_lock = NULL; for (int i = 0; i < cached_monitor_info->length(); i++) { MonitorInfo* mon_info = cached_monitor_info->at(i); // 如果能找到对应的Lock Record说明偏向的线程还在执行同步代码块中的代码 if (mon_info->owner() == obj) { ... // 需要升级为轻量级锁，直接修改偏向线程栈中的Lock Record。为了处理锁重入的case，在这里将Lock Record的Displaced Mark Word设置为null，第一个Lock Record会在下面的代码中再处理 markOop mark = markOopDesc::encode((BasicLock*) NULL); highest_lock = mon_info->lock(); highest_lock->set_displaced_header(mark); } else { ... } } if (highest_lock != NULL) { // 修改第一个Lock Record为无锁状态，然后将obj的mark word设置为执行该Lock Record的指针 highest_lock->set_displaced_header(unbiased_prototype); obj->release_set_mark(markOopDesc::encode(highest_lock)); ... } else { ... }
我们看slow_enter的流程。 void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) { markOop mark = obj->mark(); assert(!mark->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here"); // 如果是无锁状态 if (mark->is_neutral()) { //设置Displaced Mark Word并替换对象头的mark word lock->set_displaced_header(mark); if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) { TEVENT (slow_enter: release stacklock) ; return ; } } else if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) { assert(lock != mark->locker(), "must not re-lock the same lock"); assert(lock != (BasicLock*)obj->mark(), "don't relock with same BasicLock"); // 如果是重入，则设置Displaced Mark Word为null lock->set_displaced_header(NULL); return; } ... // 走到这一步说明已经是存在多个线程竞争锁了 需要膨胀为重量级锁 lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark()); ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);}
轻量级锁释放流程CASE(_monitorexit): { oop lockee = STACK_OBJECT(-1); CHECK_NULL(lockee); // derefing's lockee ought to provoke implicit null check // find our monitor slot BasicObjectLock* limit = istate->monitor_base(); BasicObjectLock* most_recent = (BasicObjectLock*) istate->stack_base(); // 从低往高遍历栈的Lock Record while (most_recent != limit ) { // 如果Lock Record关联的是该锁对象 if ((most_recent)->obj() == lockee) { BasicLock* lock = most_recent->lock(); markOop header = lock->displaced_header(); // 释放Lock Record most_recent->set_obj(NULL); // 如果是偏向模式，仅仅释放Lock Record就好了。否则要走轻量级锁or重量级锁的释放流程 if (!lockee->mark()->has_bias_pattern()) { bool call_vm = UseHeavyMonitors; // header!=NULL说明不是重入，则需要将Displaced Mark Word CAS到对象头的Mark Word if (header != NULL || call_vm) { if (call_vm || Atomic::cmpxchg_ptr(header, lockee->mark_addr(), lock) != lock) { // CAS失败或者是重量级锁则会走到这里，先将obj还原，然后调用monitorexit方法 most_recent->set_obj(lockee); CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorexit(THREAD, most_recent), handle_exception); } } } //执行下一条命令 UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(1, -1); } //处理下一条Lock Record most_recent++; } // Need to throw illegal monitor state exception CALL_VM(InterpreterRuntime::throw_illegal_monitor_state_exception(THREAD), handle_exception); ShouldNotReachHere();}
轻量级锁释放时需要将Displaced Mark Word替换到对象头的mark word中。如果CAS失败或者是重量级锁则进入到InterpreterRuntime::monitorexit方法中。 //%note monitor_1IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorexit(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem)) Handle h_obj(thread, elem->obj()); ... ObjectSynchronizer::slow_exit(h_obj(), elem->lock(), thread); // Free entry. This must be done here, since a pending exception might be installed on //释放Lock Record elem->set_obj(NULL); ...IRT_END
monitorexit调用完slow_exit方法后,就释放Lock Record。 void ObjectSynchronizer::slow_exit(oop object, BasicLock* lock, TRAPS) { fast_exit (object, lock, THREAD) ;}void ObjectSynchronizer::fast_exit(oop object, BasicLock* lock, TRAPS) { ... markOop dhw = lock->displaced_header(); markOop mark ; if (dhw == NULL) { // 重入锁，什么也不做 ... return ; } mark = object->mark() ; // 如果是mark word==Displaced Mark Word即轻量级锁，CAS替换对象头的mark word if (mark == (markOop) lock) { assert (dhw->is_neutral(), "invariant") ; if ((markOop) Atomic::cmpxchg_ptr (dhw, object->mark_addr(), mark) == mark) { TEVENT (fast_exit: release stacklock) ; return; } } //走到这里说明是重量级锁或者解锁时发生了竞争，膨胀后调用重量级锁的exit方法。 ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, object)->exit (true, THREAD) ;}
该方法中先判断是不是轻量级锁，如果是轻量级锁则将替换mark word，否则膨胀为重量级锁并调用exit方法，相关逻辑将在重量级锁的文章中讲解。
|
收藏
淘帖
踩
