本文爲死磕Synchronized底層實現第三篇文章,內容爲重量級鎖實現。java
本系列文章將對HotSpot的synchronized
鎖實現進行全面分析,內容包括偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖的加鎖、解鎖、鎖升級流程的原理及源碼分析,但願給在研究synchronized
路上的同窗一些幫助。node
當出現多個線程同時競爭鎖時,會進入到synchronizer.cpp#slow_enter
方法linux
void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) { markOop mark = obj->mark(); assert(!mark->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here"); // 若是是無鎖狀態 if (mark->is_neutral()) { lock->set_displaced_header(mark); if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) { TEVENT (slow_enter: release stacklock) ; return ; } // Fall through to inflate() ... } else // 若是是輕量級鎖重入 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"); lock->set_displaced_header(NULL); return; } ... // 這時候須要膨脹爲重量級鎖,膨脹前,設置Displaced Mark Word爲一個特殊值,表明該鎖正在用一個重量級鎖的monitor lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark()); //先調用inflate膨脹爲重量級鎖,該方法返回一個ObjectMonitor對象,而後調用其enter方法 ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD); }
在inflate
中完成膨脹過程。git
ObjectMonitor * ATTR ObjectSynchronizer::inflate (Thread * Self, oop object) { ... for (;;) { const markOop mark = object->mark() ; assert (!mark->has_bias_pattern(), "invariant") ; // mark是如下狀態中的一種: // * Inflated(重量級鎖狀態) - 直接返回 // * Stack-locked(輕量級鎖狀態) - 膨脹 // * INFLATING(膨脹中) - 忙等待直到膨脹完成 // * Neutral(無鎖狀態) - 膨脹 // * BIASED(偏向鎖) - 非法狀態,在這裏不會出現 // CASE: inflated if (mark->has_monitor()) { // 已是重量級鎖狀態了,直接返回 ObjectMonitor * inf = mark->monitor() ; ... return inf ; } // CASE: inflation in progress if (mark == markOopDesc::INFLATING()) { // 正在膨脹中,說明另外一個線程正在進行鎖膨脹,continue重試 TEVENT (Inflate: spin while INFLATING) ; // 在該方法中會進行spin/yield/park等操做完成自旋動做 ReadStableMark(object) ; continue ; } if (mark->has_locker()) { // 當前輕量級鎖狀態,先分配一個ObjectMonitor對象,並初始化值 ObjectMonitor * m = omAlloc (Self) ; m->Recycle(); m->_Responsible = NULL ; m->OwnerIsThread = 0 ; m->_recursions = 0 ; m->_SpinDuration = ObjectMonitor::Knob_SpinLimit ; // Consider: maintain by type/class // 將鎖對象的mark word設置爲INFLATING (0)狀態 markOop cmp = (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr (markOopDesc::INFLATING(), object->mark_addr(), mark) ; if (cmp != mark) { omRelease (Self, m, true) ; continue ; // Interference -- just retry } // 棧中的displaced mark word markOop dmw = mark->displaced_mark_helper() ; assert (dmw->is_neutral(), "invariant") ; // 設置monitor的字段 m->set_header(dmw) ; // owner爲Lock Record m->set_owner(mark->locker()); m->set_object(object); ... // 將鎖對象頭設置爲重量級鎖狀態 object->release_set_mark(markOopDesc::encode(m)); ... return m ; } // CASE: neutral // 分配以及初始化ObjectMonitor對象 ObjectMonitor * m = omAlloc (Self) ; // prepare m for installation - set monitor to initial state m->Recycle(); m->set_header(mark); // owner爲NULL m->set_owner(NULL); m->set_object(object); m->OwnerIsThread = 1 ; m->_recursions = 0 ; m->_Responsible = NULL ; m->_SpinDuration = ObjectMonitor::Knob_SpinLimit ; // consider: keep metastats by type/class // 用CAS替換對象頭的mark word爲重量級鎖狀態 if (Atomic::cmpxchg_ptr (markOopDesc::encode(m), object->mark_addr(), mark) != mark) { // 不成功說明有另一個線程在執行inflate,釋放monitor對象 m->set_object (NULL) ; m->set_owner (NULL) ; m->OwnerIsThread = 0 ; m->Recycle() ; omRelease (Self, m, true) ; m = NULL ; continue ; // interference - the markword changed - just retry. // The state-transitions are one-way, so there's no chance of // live-lock -- "Inflated" is an absorbing state. } ... return m ; } }
inflate
中是一個for循環,主要是爲了處理多線程同時調用inflate的狀況。而後會根據鎖對象的狀態進行不一樣的處理:github
1.已是重量級狀態,說明膨脹已經完成,直接返回數據結構
2.若是是輕量級鎖則須要進行膨脹操做多線程
3.若是是膨脹中狀態,則進行忙等待app
4.若是是無鎖狀態則須要進行膨脹操做ide
其中輕量級鎖和無鎖狀態須要進行膨脹操做,輕量級鎖膨脹流程以下:函數
1.調用omAlloc
分配一個ObjectMonitor
對象(如下簡稱monitor),在omAlloc
方法中會先從線程私有的monitor
集合omFreeList
中分配對象,若是omFreeList
中已經沒有monitor
對象,則從JVM全局的gFreeList
中分配一批monitor
到omFreeList
中。
2.初始化monitor
對象
3.將狀態設置爲膨脹中(INFLATING)狀態
4.設置monitor
的header字段爲displaced mark word
,owner字段爲Lock Record
,obj字段爲鎖對象
5.設置鎖對象頭的mark word
爲重量級鎖狀態,指向第一步分配的monitor
對象
無鎖狀態下的膨脹流程以下:
1.調用omAlloc
分配一個ObjectMonitor
對象(如下簡稱monitor)
2.初始化monitor
對象
3.設置monitor
的header字段爲 mark word
,owner字段爲null
,obj字段爲鎖對象
4.設置鎖對象頭的mark word
爲重量級鎖狀態,指向第一步分配的monitor
對象
至於爲何輕量級鎖須要一個膨脹中(INFLATING)狀態,代碼中的註釋是:
// Why do we CAS a 0 into the mark-word instead of just CASing the // mark-word from the stack-locked value directly to the new inflated state? // Consider what happens when a thread unlocks a stack-locked object. // It attempts to use CAS to swing the displaced header value from the // on-stack basiclock back into the object header. Recall also that the // header value (hashcode, etc) can reside in (a) the object header, or // (b) a displaced header associated with the stack-lock, or (c) a displaced // header in an objectMonitor. The inflate() routine must copy the header // value from the basiclock on the owner's stack to the objectMonitor, all // the while preserving the hashCode stability invariants. If the owner // decides to release the lock while the value is 0, the unlock will fail // and control will eventually pass from slow_exit() to inflate. The owner // will then spin, waiting for the 0 value to disappear. Put another way, // the 0 causes the owner to stall if the owner happens to try to // drop the lock (restoring the header from the basiclock to the object) // while inflation is in-progress. This protocol avoids races that might // would otherwise permit hashCode values to change or "flicker" for an object. // Critically, while object->mark is 0 mark->displaced_mark_helper() is stable. // 0 serves as a "BUSY" inflate-in-progress indicator.
我沒太看懂,有知道的同窗能夠指點下~
膨脹完成以後,會調用enter
方法得到鎖
void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) { Thread * const Self = THREAD ; void * cur ; // owner爲null表明無鎖狀態,若是能CAS設置成功,則當前線程直接得到鎖 cur = Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_owner, NULL) ; if (cur == NULL) { ... return ; } // 若是是重入的狀況 if (cur == Self) { // TODO-FIXME: check for integer overflow! BUGID 6557169. _recursions ++ ; return ; } // 當前線程是以前持有輕量級鎖的線程。由輕量級鎖膨脹且第一次調用enter方法,那cur是指向Lock Record的指針 if (Self->is_lock_owned ((address)cur)) { assert (_recursions == 0, "internal state error"); // 重入計數重置爲1 _recursions = 1 ; // 設置owner字段爲當前線程(以前owner是指向Lock Record的指針) _owner = Self ; OwnerIsThread = 1 ; return ; } ... // 在調用系統的同步操做以前,先嚐試自旋得到鎖 if (Knob_SpinEarly && TrySpin (Self) > 0) { ... //自旋的過程當中得到了鎖,則直接返回 Self->_Stalled = 0 ; return ; } ... { ... for (;;) { jt->set_suspend_equivalent(); // 在該方法中調用系統同步操做 EnterI (THREAD) ; ... } Self->set_current_pending_monitor(NULL); } ... }
EnterI
方法得到鎖或阻塞EnterI
方法比較長,在看以前,咱們先闡述下其大體原理:
一個ObjectMonitor
對象包括這麼幾個關鍵字段:cxq(下圖中的ContentionList),EntryList ,WaitSet,owner。
其中cxq ,EntryList ,WaitSet都是由ObjectWaiter的鏈表結構,owner指向持有鎖的線程。
當一個線程嘗試得到鎖時,若是該鎖已經被佔用,則會將該線程封裝成一個ObjectWaiter
對象插入到cxq的隊列的隊首,而後調用park
函數掛起當前線程。在linux系統上,park
函數底層調用的是gclib庫的pthread_cond_wait
,JDK的ReentrantLock
底層也是用該方法掛起線程的。更多細節能夠看我以前的兩篇文章:關於同步的一點思考-下,linux內核級同步機制–futex
當線程釋放鎖時,會從cxq或EntryList中挑選一個線程喚醒,被選中的線程叫作Heir presumptive
即假定繼承人(應該是這樣翻譯),就是圖中的Ready Thread
,假定繼承人被喚醒後會嘗試得到鎖,但synchronized
是非公平的,因此假定繼承人不必定能得到鎖(這也是它叫」假定」繼承人的緣由)。
若是線程得到鎖後調用Object#wait
方法,則會將線程加入到WaitSet中,當被Object#notify
喚醒後,會將線程從WaitSet移動到cxq或EntryList中去。須要注意的是,當調用一個鎖對象的wait
或notify
方法時,如當前鎖的狀態是偏向鎖或輕量級鎖則會先膨脹成重量級鎖。
synchronized
的monitor
鎖機制和JDK的ReentrantLock
與Condition
是很類似的,ReentrantLock
也有一個存放等待獲取鎖線程的鏈表,Condition
也有一個相似WaitSet
的集合用來存放調用了await
的線程。若是你以前對ReentrantLock
有深刻了解,那理解起monitor
應該是很簡單。
回到代碼上,開始分析EnterI
方法:
void ATTR ObjectMonitor::EnterI (TRAPS) { Thread * Self = THREAD ; ... // 嘗試得到鎖 if (TryLock (Self) > 0) { ... return ; } DeferredInitialize () ; // 自旋 if (TrySpin (Self) > 0) { ... return ; } ... // 將線程封裝成node節點中 ObjectWaiter node(Self) ; Self->_ParkEvent->reset() ; node._prev = (ObjectWaiter *) 0xBAD ; node.TState = ObjectWaiter::TS_CXQ ; // 將node節點插入到_cxq隊列的頭部,cxq是一個單向鏈表 ObjectWaiter * nxt ; for (;;) { node._next = nxt = _cxq ; if (Atomic::cmpxchg_ptr (&node, &_cxq, nxt) == nxt) break ; // CAS失敗的話 再嘗試得到鎖,這樣能夠下降插入到_cxq隊列的頻率 if (TryLock (Self) > 0) { ... return ; } } // SyncFlags默認爲0,若是沒有其餘等待的線程,則將_Responsible設置爲本身 if ((SyncFlags & 16) == 0 && nxt == NULL && _EntryList == NULL) { Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_Responsible, NULL) ; } TEVENT (Inflated enter - Contention) ; int nWakeups = 0 ; int RecheckInterval = 1 ; for (;;) { if (TryLock (Self) > 0) break ; assert (_owner != Self, "invariant") ; ... // park self if (_Responsible == Self || (SyncFlags & 1)) { // 當前線程是_Responsible時,調用的是帶時間參數的park TEVENT (Inflated enter - park TIMED) ; Self->_ParkEvent->park ((jlong) RecheckInterval) ; // Increase the RecheckInterval, but clamp the value. RecheckInterval *= 8 ; if (RecheckInterval > 1000) RecheckInterval = 1000 ; } else { //不然直接調用park掛起當前線程 TEVENT (Inflated enter - park UNTIMED) ; Self->_ParkEvent->park() ; } if (TryLock(Self) > 0) break ; ... if ((Knob_SpinAfterFutile & 1) && TrySpin (Self) > 0) break ; ... // 在釋放鎖時,_succ會被設置爲EntryList或_cxq中的一個線程 if (_succ == Self) _succ = NULL ; // Invariant: after clearing _succ a thread *must* retry _owner before parking. OrderAccess::fence() ; } // 走到這裏說明已經得到鎖了 assert (_owner == Self , "invariant") ; assert (object() != NULL , "invariant") ; // 將當前線程的node從cxq或EntryList中移除 UnlinkAfterAcquire (Self, &node) ; if (_succ == Self) _succ = NULL ; if (_Responsible == Self) { _Responsible = NULL ; OrderAccess::fence(); } ... return ; }
主要步驟有3步:
這裏須要特別說明的是_Responsible
和_succ
兩個字段的做用:
當競爭發生時,選取一個線程做爲_Responsible
,_Responsible
線程調用的是有時間限制的park
方法,其目的是防止出現擱淺
現象。
_succ
線程是在線程釋放鎖是被設置,其含義是Heir presumptive
,也就是咱們上面說的假定繼承人。
重量級鎖釋放的代碼在ObjectMonitor::exit
:
void ATTR ObjectMonitor::exit(bool not_suspended, TRAPS) { Thread * Self = THREAD ; // 若是_owner不是當前線程 if (THREAD != _owner) { // 當前線程是以前持有輕量級鎖的線程。由輕量級鎖膨脹後還沒調用過enter方法,_owner會是指向Lock Record的指針。 if (THREAD->is_lock_owned((address) _owner)) { assert (_recursions == 0, "invariant") ; _owner = THREAD ; _recursions = 0 ; OwnerIsThread = 1 ; } else { // 異常狀況:當前不是持有鎖的線程 TEVENT (Exit - Throw IMSX) ; assert(false, "Non-balanced monitor enter/exit!"); if (false) { THROW(vmSymbols::java_lang_IllegalMonitorStateException()); } return; } } // 重入計數器還不爲0,則計數器-1後返回 if (_recursions != 0) { _recursions--; // this is simple recursive enter TEVENT (Inflated exit - recursive) ; return ; } // _Responsible設置爲null if ((SyncFlags & 4) == 0) { _Responsible = NULL ; } ... for (;;) { assert (THREAD == _owner, "invariant") ; // Knob_ExitPolicy默認爲0 if (Knob_ExitPolicy == 0) { // code 1:先釋放鎖,這時若是有其餘線程進入同步塊則能得到鎖 OrderAccess::release_store_ptr (&_owner, NULL) ; // drop the lock OrderAccess::storeload() ; // See if we need to wake a successor // code 2:若是沒有等待的線程或已經有假定繼承人 if ((intptr_t(_EntryList)|intptr_t(_cxq)) == 0 || _succ != NULL) { TEVENT (Inflated exit - simple egress) ; return ; } TEVENT (Inflated exit - complex egress) ; // code 3:要執行以後的操做須要從新得到鎖,即設置_owner爲當前線程 if (Atomic::cmpxchg_ptr (THREAD, &_owner, NULL) != NULL) { return ; } TEVENT (Exit - Reacquired) ; } ... ObjectWaiter * w = NULL ; // code 4:根據QMode的不一樣會有不一樣的喚醒策略,默認爲0 int QMode = Knob_QMode ; if (QMode == 2 && _cxq != NULL) { // QMode == 2 : cxq中的線程有更高優先級,直接喚醒cxq的隊首線程 w = _cxq ; assert (w != NULL, "invariant") ; assert (w->TState == ObjectWaiter::TS_CXQ, "Invariant") ; ExitEpilog (Self, w) ; return ; } if (QMode == 3 && _cxq != NULL) { // 將cxq中的元素插入到EntryList的末尾 w = _cxq ; for (;;) { assert (w != NULL, "Invariant") ; ObjectWaiter * u = (ObjectWaiter *) Atomic::cmpxchg_ptr (NULL, &_cxq, w) ; if (u == w) break ; w = u ; } assert (w != NULL , "invariant") ; ObjectWaiter * q = NULL ; ObjectWaiter * p ; for (p = w ; p != NULL ; p = p->_next) { guarantee (p->TState == ObjectWaiter::TS_CXQ, "Invariant") ; p->TState = ObjectWaiter::TS_ENTER ; p->_prev = q ; q = p ; } // Append the RATs to the EntryList // TODO: organize EntryList as a CDLL so we can locate the tail in constant-time. ObjectWaiter * Tail ; for (Tail = _EntryList ; Tail != NULL && Tail->_next != NULL ; Tail = Tail->_next) ; if (Tail == NULL) { _EntryList = w ; } else { Tail->_next = w ; w->_prev = Tail ; } // Fall thru into code that tries to wake a successor from EntryList } if (QMode == 4 && _cxq != NULL) { // 將cxq插入到EntryList的隊首 w = _cxq ; for (;;) { assert (w != NULL, "Invariant") ; ObjectWaiter * u = (ObjectWaiter *) Atomic::cmpxchg_ptr (NULL, &_cxq, w) ; if (u == w) break ; w = u ; } assert (w != NULL , "invariant") ; ObjectWaiter * q = NULL ; ObjectWaiter * p ; for (p = w ; p != NULL ; p = p->_next) { guarantee (p->TState == ObjectWaiter::TS_CXQ, "Invariant") ; p->TState = ObjectWaiter::TS_ENTER ; p->_prev = q ; q = p ; } // Prepend the RATs to the EntryList if (_EntryList != NULL) { q->_next = _EntryList ; _EntryList->_prev = q ; } _EntryList = w ; // Fall thru into code that tries to wake a successor from EntryList } w = _EntryList ; if (w != NULL) { // 若是EntryList不爲空,則直接喚醒EntryList的隊首元素 assert (w->TState == ObjectWaiter::TS_ENTER, "invariant") ; ExitEpilog (Self, w) ; return ; } // EntryList爲null,則處理cxq中的元素 w = _cxq ; if (w == NULL) continue ; // 由於以後要將cxq的元素移動到EntryList,因此這裏將cxq字段設置爲null for (;;) { assert (w != NULL, "Invariant") ; ObjectWaiter * u = (ObjectWaiter *) Atomic::cmpxchg_ptr (NULL, &_cxq, w) ; if (u == w) break ; w = u ; } TEVENT (Inflated exit - drain cxq into EntryList) ; assert (w != NULL , "invariant") ; assert (_EntryList == NULL , "invariant") ; if (QMode == 1) { // QMode == 1 : 將cxq中的元素轉移到EntryList,並反轉順序 ObjectWaiter * s = NULL ; ObjectWaiter * t = w ; ObjectWaiter * u = NULL ; while (t != NULL) { guarantee (t->TState == ObjectWaiter::TS_CXQ, "invariant") ; t->TState = ObjectWaiter::TS_ENTER ; u = t->_next ; t->_prev = u ; t->_next = s ; s = t; t = u ; } _EntryList = s ; assert (s != NULL, "invariant") ; } else { // QMode == 0 or QMode == 2‘ // 將cxq中的元素轉移到EntryList _EntryList = w ; ObjectWaiter * q = NULL ; ObjectWaiter * p ; for (p = w ; p != NULL ; p = p->_next) { guarantee (p->TState == ObjectWaiter::TS_CXQ, "Invariant") ; p->TState = ObjectWaiter::TS_ENTER ; p->_prev = q ; q = p ; } } // _succ不爲null,說明已經有個繼承人了,因此不須要當前線程去喚醒,減小上下文切換的比率 if (_succ != NULL) continue; w = _EntryList ; // 喚醒EntryList第一個元素 if (w != NULL) { guarantee (w->TState == ObjectWaiter::TS_ENTER, "invariant") ; ExitEpilog (Self, w) ; return ; } } }
在進行必要的鎖重入判斷以及自旋優化後,進入到主要邏輯:
code 1
設置owner爲null,即釋放鎖,這個時刻其餘的線程能獲取到鎖。這裏是一個非公平鎖的優化;
code 2
若是當前沒有等待的線程則直接返回就行了,由於不須要喚醒其餘線程。或者若是說succ不爲null,表明當前已經有個」醒着的」繼承人線程,那當前線程不須要喚醒任何線程;
code 3
當前線程從新得到鎖,由於以後要操做cxq和EntryList隊列以及喚醒線程;
code 4
根據QMode的不一樣,會執行不一樣的喚醒策略;
根據QMode的不一樣,有不一樣的處理方式:
只有QMode=2的時候會提早返回,等於0、三、4的時候都會繼續往下執行:
1.若是EntryList的首元素非空,就取出來調用ExitEpilog方法,該方法會喚醒ObjectWaiter對象的線程,而後當即返回;
2.若是EntryList的首元素爲空,就將cxq的全部元素放入到EntryList中,而後再從EntryList中取出來隊首元素執行ExitEpilog方法,而後當即返回;
QMode默認爲0,結合上面的流程咱們能夠看這麼個demo:
public class SyncDemo { public static void main(String[] args) { SyncDemo syncDemo1 = new SyncDemo(); syncDemo1.startThreadA(); try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } syncDemo1.startThreadB(); try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } syncDemo1.startThreadC(); } final Object lock = new Object(); public void startThreadA() { new Thread(() -> { synchronized (lock) { System.out.println("A get lock"); try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("A release lock"); } }, "thread-A").start(); } public void startThreadB() { new Thread(() -> { synchronized (lock) { System.out.println("B get lock"); } }, "thread-B").start(); } public void startThreadC() { new Thread(() -> { synchronized (lock) { System.out.println("C get lock"); } }, "thread-C").start(); } }
默認策略下,在A釋放鎖後必定是C線程先得到鎖。由於在獲取鎖時,是將當前線程插入到cxq的頭部,而釋放鎖時,默認策略是:若是EntryList爲空,則將cxq中的元素按原有順序插入到到EntryList,並喚醒第一個線程。也就是當EntryList爲空時,是後來的線程先獲取鎖。這點JDK中的Lock機制是不同的。
原理弄清楚了,順便總結了幾點Synchronized和ReentrantLock的區別:
ReentrantLock#isLocked
判斷;ReentrantLock#lockInterruptibly
方法是能夠被中斷的;總的來講Synchronized的重量級鎖和ReentrantLock的實現上仍是有不少類似的,包括其數據結構、掛起線程方式等等。在平常使用中,如無特殊要求用Synchronized就夠了。你深刻了解這二者其中一個的實現,瞭解另一個或其餘鎖機制都比較容易,這也是咱們常說的技術上的相通性。