一个想休息的线程:JVM到底是怎么处理锁的?怎么不让我阻塞呢?

我是一个线程,生活在JVM(Java虚拟机)中, 这一段日子过得有些无聊,整个世界似乎只有这一个人,天天忙着执行代码,想休息一下都很难。

我听说人类写的代码中有些特殊的地方,叫做临界区,比如synchronized修饰的方法或者代码块,他们非常神奇,在同一时刻JVM老大只允许一个线程进入执行。

实际上,老大设置了一把,抢到了这把锁就可以执行,否则只能阻塞,等待别人释放锁。

一个想休息的线程:JVM到底是怎么处理锁的?怎么不让我阻塞呢?

老大说,阻塞就是不用干活了,老老实实地等着就行。

竟然还有这等美事! 赶紧让我阻塞一次吧。

可是老大又说:“每次设置锁我都得和操作系统打交道,请他在内核中维护一个什么Mutex(互斥量)的东西,他还得把你们这些线程阻塞,切换,这可是一笔巨大的费用啊,所以这些锁还是少用为妙。”

我运气也不好,我不知道执行了多少代码,调用了多少函数,竟然一次也没遇到临界区!

我想也许这个程序员编程时不小心,没有考虑多线程并发的情况; 也有可能是这些程序大部分都是无状态的,多少个线程执行都没有问题。

于是我只好一直执行下去, 不知道过了多少天,我激动地发现,一个synchronized修饰的代码块终于出现了:

Account account = ... 
synchronized(account){ 
    ...临界区的代码... 
} 

偏向锁

我满心期望别的线程已经进入了代码块,那我就可以阻塞、休息。

即使没有其他线程进入临界区,老大为我申请锁, 也得和操作系统协商什么互斥量,从用户态进入核心态,再从核心态返回用户态,总要花些功夫吧。

可是老大根本没有去找操作系统, 只是看了看这个account对象的所谓“对象头”,其中有个叫做Mark Word的东西,似乎是个什么数据结构, 里边有几个标识位,还有其他数据。

一个想休息的线程:JVM到底是怎么处理锁的?怎么不让我阻塞呢?

老大随手使用CAS操作把我的线程ID记录到了这个Mark Word当中,修改了标识位,然后告诉我说: 可以了,你现在拥有这把锁了,进去执行代码吧。

一个想休息的线程:JVM到底是怎么处理锁的?怎么不让我阻塞呢?

我惊奇地说:“老大你不和操作系统协商设置Mutex了?”

老大说:“不用了,你看现在就你一个线程进入了这个代码块,我只要记录下你的线程ID,就表示你拥有这把锁了,不用操作系统介入。”

我获得了锁,开始执行被synchronized包裹的代码块。

等到我第二次执行到这个synchronized的时候,老大只是看了一眼锁对象account的Mark Word就说:“你的线程ID还在,还持有着这个对象的锁,进入临界区执行吧。”

我连喘口气的机会都没有,只好继续执行。

老大说,这叫偏向锁,在没有别的线程竞争的时候,一直偏向我,可以让我一直执行下去。

我是多么期盼来一个新的线程来和我竞争啊!

轻量级锁

很快,机会就来了。

另外一个线程0x3704也要进入这个代码块执行,但是锁对象account 保存的是我的线程ID,他是没法进入临界区的。

我心想,我们两个至少得有一个进入阻塞状态,休息一会儿了。

但是老大还是不去操作系统协商,只是说: 我把这个偏向锁升级一下,变成一个轻量级的锁吧。

老大把锁对象account恢复成无锁状态,在我们俩的栈帧中各自分配了一个空间,叫做Lock Record, 把锁对象account的Mark Word在我们俩这里各自复制了一份,叫做Displaced Mark Word, 这名字真奇怪。

然后把我的Lock Record的地址使用CAS放到了Mark Word当中,并且把锁标志位改为00, 这其实就意味着我也已经获得了这个轻量级的锁了,可以继续进入临界区执行。

一个想休息的线程:JVM到底是怎么处理锁的?怎么不让我阻塞呢?

0x3704没有获得锁,但还是不阻塞,老大让他自旋几次,等待一会儿。

等到我退出临界区,释放锁的时候,需要把这个Displaced markd word 使用CAS复制回去。接下来他就可以加锁了。

我们两个交替着进入临界区,执行这段代码,相安无事,很少出现真正的竞争。

即使是出现了竞争,想获得锁的线程只要自旋几次,等待一会儿,锁就可能释放了。

很明显,如果没有竞争或者轻度的竞争,轻量级锁仅仅使用CAS操作和Lock record就避免了重量级互斥锁的开销,对JVM老大来说,确实是个好主意。

重量级锁

轻量级锁运行得挺好,我还是没有机会休息,终于有这么一天,0x3704 正在持有锁,在临界区辛苦地执行代码。 我自旋了好多次,0x3704还是没释放锁。 这时候JVM老大说: 自旋次数太多了,太浪费CPU了,接下来升级为重量级锁!

这个重量级锁需要操作系统的帮忙,依赖操作系统底层的Mutex Lock。

只见老大创建了一个monitor 对象, 把这个对象的地址更新到了Mark word当中。

锁升级了!

一个想休息的线程:JVM到底是怎么处理锁的?怎么不让我阻塞呢?

由于0x3704还在持有锁运行,而我终于进入了梦寐以求的状态:阻塞!  终于可以休息一下了!

仔细一想,老大煞费心机地设置了偏向锁和轻量级锁,就是为了避免阻塞,避免操作系统的介入, 这两种锁无非就是针对这两种情况:

偏向锁: 通常只有一个线程在临界区执行

轻量级锁: 可以有多个线程交替进入临界区,在竞争不激烈的时候,稍微自旋等待一下就能获得锁。

至于重量级锁,也是我最为期待的锁,那就是出现了激烈的竞争,只好让我们去阻塞休息了。

纠错!jvm专家 你假笨指出一个错误 ,偏向锁对象头里存的不是线程id ,其实存的是JavaThread对象的指针地址。图片没法修改了,在此更正

【本文为51CTO专栏作者“刘欣”的原创稿件,转载请通过作者微信公众号coderising获取授权】

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原文 

http://zhuanlan.51cto.com/art/201807/578802.htm

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