死磕Synchronized底层实现--轻量级锁

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作者：farmerjohngit

链接：https://github.com/farmerjohngit

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。

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。

http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/hotspot/file/9ce27f0a4683/src

轻量级锁获取流程

下面开始轻量级锁获取流程分析，代码在：

http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/9ce27f0a4683/src/share/vm/interpreter/bytecodeInterpreter.cpp#l1816

1. CASE(_monitorenter): {

2.  oop lockee = STACK_OBJECT(-1);

3.  ...

4.  if (entry != NULL) {

5.   ...

6.   // 上面省略的代码中如果CAS操作失败也会调用到InterpreterRuntime::monitorenter

7.    // traditional lightweight locking

8.    if (!success) {

9.      // 构建一个无锁状态的Displaced Mark Word

10.      markOop displaced = lockee->mark()->set_unlocked();

11.      // 设置到Lock Record中去

12.      entry->lock()->set_displaced_header(displaced);

13.      bool call_vm = UseHeavyMonitors;

14.      if (call_vm || Atomic::cmpxchg_ptr(entry, lockee->mark_addr(), displaced) != displaced) {

15.        // 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

16.        // Is it simple recursive case?

17.        if (!call_vm && THREAD->is_lock_owned((address) displaced->clear_lock_bits())) {

18.          entry->lock()->set_displaced_header(NULL);

19.        } else {

20.          // CAS操作失败则调用monitorenter

21.          CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception);

22.        }

23.      }

24.    }

25.    UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(1, -1);

26.  } else {

27.    istate->set_msg(more_monitors);

28.    UPDATE_PC_AND_RETURN(0); // Re-execute

29.  }

30. }

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 LockRecord中去，我们称 LockRecord中存储对象 mark word的字段叫 DisplacedMarkWord。

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 LockRecord的 DisplacedMarkWord设置为 null。

我们看个demo，在该demo中重复3次获得锁，

1. synchronized(obj){

2.    synchronized(obj){

3.        synchronized(obj){

4.        }

5.    }

6. }

假设锁的状态是轻量级锁，下图反应了 mark word和线程栈中 LockRecord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 LockRecord。

其中栈中最高位的 LockRecord为第一次获取锁时分配的。其 DisplacedMarkword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 DisplacedMarkword为 null的 LockRecord。

为什么JVM选择在线程栈中添加 DisplacedMarkword为null的 LockRecord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 LockRecord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 LockRecord，然后修改它的值。

所以最终Hotspot选择每次获得锁都添加一个 LockRecord来表示锁的重入。

接下来看看 InterpreterRuntime::monitorenter方法

1. IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))

2.  ...

3.  Handle h_obj(thread, elem->obj());

4.  assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()),

5.         "must be NULL or an object");

6.  if (UseBiasedLocking) {

7.    // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation

8.    ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);

9.  } else {

10.    ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);

11.  }

12.  ...

13. 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 LockRecord修改为轻量级锁对应的形式。代码位置在:

http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/9ce27f0a4683/src/share/vm/runtime/biasedLocking.cpp#l212

1. // 线程还存活则遍历线程栈中所有的Lock Record

2.  GrowableArray<MonitorInfo*>* cached_monitor_info = get_or_compute_monitor_info(biased_thread);

3.  BasicLock* highest_lock = NULL;

4.  for (int i = 0; i < cached_monitor_info->length(); i++) {

5.    MonitorInfo* mon_info = cached_monitor_info->at(i);

6.    // 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

7.    if (mon_info->owner() == obj) {

8.      ...

9.      // 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

10.      markOop mark = markOopDesc::encode((BasicLock*) NULL);

11.      highest_lock = mon_info->lock();

12.      highest_lock->set_displaced_header(mark);

13.    } else {

14.      ...

15.    }

16.  }

17.  if (highest_lock != NULL) {

18.    // 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

19.    highest_lock->set_displaced_header(unbiased_prototype);

20.    obj->release_set_mark(markOopDesc::encode(highest_lock));

21.    ...

22.  } else {

23.    ...

24.  }

我们看 slow_enter的流程。

1. void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {

2.  markOop mark = obj->mark();

3.  assert(!mark->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here");

4.  // 如果是无锁状态

5.  if (mark->is_neutral()) {

6.    //设置Displaced Mark Word并替换对象头的mark word

7.    lock->set_displaced_header(mark);

8.    if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) {

9.      TEVENT (slow_enter: release stacklock) ;

10.      return ;

11.    }

12.  } else

13.  if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {

14.    assert(lock != mark->locker(), "must not re-lock the same lock");

15.    assert(lock != (BasicLock*)obj->mark(), "don't relock with same BasicLock");

16.    // 如果是重入，则设置Displaced Mark Word为null

17.    lock->set_displaced_header(NULL);

18.    return;

19.  }

20.  ...

21.  // 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

22.  lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());

23.  ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);

24. }

轻量级锁释放流程

1. CASE(_monitorexit): {

2.  oop lockee = STACK_OBJECT(-1);

3.  CHECK_NULL(lockee);

4.  // derefing's lockee ought to provoke implicit null check

5.  // find our monitor slot

6.  BasicObjectLock* limit = istate->monitor_base();

7.  BasicObjectLock* most_recent = (BasicObjectLock*) istate->stack_base();

8.  // 从低往高遍历栈的Lock Record

9.  while (most_recent != limit ) {

10.    // 如果Lock Record关联的是该锁对象

11.    if ((most_recent)->obj() == lockee) {

12.      BasicLock* lock = most_recent->lock();

13.      markOop header = lock->displaced_header();

14.      // 释放Lock Record

15.      most_recent->set_obj(NULL);

16.      // 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

17.      if (!lockee->mark()->has_bias_pattern()) {

18.        bool call_vm = UseHeavyMonitors;

19.        // header!=NULL说明不是重入，则需要将Displaced Mark Word CAS到对象头的Mark Word

20.        if (header != NULL || call_vm) {

21.          if (call_vm || Atomic::cmpxchg_ptr(header, lockee->mark_addr(), lock) != lock) {

22.            // 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

23.            most_recent->set_obj(lockee);

24.            CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorexit(THREAD, most_recent), handle_exception);

25.          }

26.        }

27.      }

28.      //执行下一条命令

29.      UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(1, -1);

30.    }

31.    //处理下一条Lock Record

32.    most_recent++;

33.  }

34.  // Need to throw illegal monitor state exception

35.  CALL_VM(InterpreterRuntime::throw_illegal_monitor_state_exception(THREAD), handle_exception);

36.  ShouldNotReachHere();

37. }

轻量级锁释放时需要将 DisplacedMarkWord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。

1. //%note monitor_1

2. IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorexit(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))

3.  Handle h_obj(thread, elem->obj());

4.  ...

5.  ObjectSynchronizer::slow_exit(h_obj(), elem->lock(), thread);

6.  // Free entry. This must be done here, since a pending exception might be installed on

7.  //释放Lock Record

8.  elem->set_obj(NULL);

9.  ...

10. IRT_END

monitorexit调用完 slow_exit方法后,就释放 LockRecord。

1. void ObjectSynchronizer::slow_exit(oop object, BasicLock* lock, TRAPS) {

2.  fast_exit (object, lock, THREAD) ;

3. }

4. void ObjectSynchronizer::fast_exit(oop object, BasicLock* lock, TRAPS) {

5.  ...

6.  markOop dhw = lock->displaced_header();

7.  markOop mark ;

8.  if (dhw == NULL) {

9.     // 重入锁，什么也不做

10.        ...

11.     return ;

12.  }

13.  mark = object->mark() ;

14.  // 如果是mark word==Displaced Mark Word即轻量级锁，CAS替换对象头的mark word

15.  if (mark == (markOop) lock) {

16.     assert (dhw->is_neutral(), "invariant") ;

17.     if ((markOop) Atomic::cmpxchg_ptr (dhw, object->mark_addr(), mark) == mark) {

18.        TEVENT (fast_exit: release stacklock) ;

19.        return;

20.     }

21.  }

22.  //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。

23.  ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, object)->exit (true, THREAD) ;

24. }

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。

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