那些去请求锁的线程都怎么样了?
think123
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2020-11-12 20:08
“ 写给自己看，说给别人听。你好，这是think123的第78篇原创文章”
不知道你有没有想过，那些去申请锁的线程都怎样了？有些可能申请到了锁，马上就能执行业务代码。但是如果有一个锁被很多个线程需要，那么这些线程是如何被处理的呢？
ps: 如果你不想看分析结果,可以拉到最后，末尾有一张总结图,一图胜千言
之前文章分析过synchroinzed中锁的优化，但是如果存在大量竞争的情况下，那么最终还是都会变成重量级锁。所以我们这里开始直接分析重量级锁的代码。
申请锁
在ObjectMonitor::enter函数中，有很多判断和优化执行的逻辑，但是核心还是通过EnterI函数实际进入队列将将当前线程阻塞
void ObjectMonitor::EnterI(TRAPS) {
Thread * const Self = THREAD;
// CAS尝试将当前线程设置为持有锁的线程
if (TryLock (Self) > 0) {
assert(_succ != Self, "invariant");
assert(_owner == Self, "invariant");
assert(_Responsible != Self, "invariant");
return;
}
// 通过自旋方式调用tryLock再次尝试，操作系统认为会有一些微妙影响
if (TrySpin(Self) > 0) {
assert(_owner == Self, "invariant");
assert(_succ != Self, "invariant");
assert(_Responsible != Self, "invariant");
return;
}
...
// 将当前线程构建成ObjectWaiter
ObjectWaiter node(Self);
Self->_ParkEvent->reset();
node._prev = (ObjectWaiter *) 0xBAD;
node.TState = ObjectWaiter::TS_CXQ;
ObjectWaiter * nxt;
for (;;) {
// 通过CAS方式将ObjectWaiter对象插入CXQ队列头部中
node._next = nxt = _cxq;
if (Atomic::cmpxchg(&node, &_cxq, nxt) == nxt) break;
// 由于cxq改变，导致CAS失败，这里进行tryLock重试
if (TryLock (Self) > 0) {
assert(_succ != Self, "invariant");
assert(_owner == Self, "invariant");
assert(_Responsible != Self, "invariant");
return;
}
}
// 阻塞当前线程
for (;;) {
if (TryLock(Self) > 0) break;
assert(_owner != Self, "invariant");
// park self
if (_Responsible == Self) {
Self->_ParkEvent->park((jlong) recheckInterval);
recheckInterval *= 8;
if (recheckInterval > MAX_RECHECK_INTERVAL) {
recheckInterval = MAX_RECHECK_INTERVAL;
}
} else {
Self->_ParkEvent->park();
}
...
if (TryLock(Self) > 0) break;
++nWakeups;
if (TrySpin(Self) > 0) break;
...
}
...
// Self已经获取到锁了，需要将它从CXQ或者EntryList中移除
UnlinkAfterAcquire(Self, &node);
...
}
在入队之前,会调用tryLock尝试通过CAS操作将_owner(当前ObjectMonitor对象锁持有的线程指针)字段设置为Self(指向当前执行的线程),如果设置成功，表示当前线程获得了锁，否则没有。
int ObjectMonitor::TryLock(Thread * Self) {
void * own = _owner;
if (own != NULL) return 0;
if (Atomic::replace_if_null(Self, &_owner)) {
return 1;
}
return -1;
}
如果tryLock没有成功，又会再次调用tryLock(trySpin中调用了tryLock)去尝试获取锁，因为这样可以告诉操作系统我迫切需要这个资源，希望能尽量分配给我。不过这种亲和力并不是一定能得到保证的协议，只是一种积极的操作。
通过 ObjectWaiter对象将当前线程包裹起来，入到 CXQ 队列的头部
阻塞当前线程(通过pthread_cond_wait)
当线程被唤醒而获取了锁，调用UnlinkAfterAcquire方法将ObjectWaiter从CXQ或者EntryList中移除
核心数据结构
ObjectMonitor对象中保存了 sychronized 阻塞的线程的队列，以及实现了不同的队列调度策略，因此我们有必须先来认识下这个对象的一些重要属性
class ObjectMonitor {
// mark word
volatile markOop _header;
// 指向拥有线程或BasicLock的指针
void * volatile _owner;
// monitor的先前所有者的线程ID
volatile jlong _previous_owner_tid;
// 重入次数，第一次为0
volatile intptr_t _recursions;
// 下一个被唤醒的线程
Thread * volatile _succ;
// 线程在进入或者重新进入时被阻塞的列表,由ObjectWaiter组成,相当于对线程的一个封装对象
ObjectWaiter * volatile _EntryList;
// CXQ队列存储的是enter的时候因为锁已经被别的线程阻塞而进不来的线程
ObjectWaiter * volatile _cxq;
// 处于wait状态(调用了wait())的线程，会被加入到waitSet
ObjectWaiter * volatile _WaitSet;
// 省略其他属性以及方法
}
class ObjectWaiter : public StackObj {
public:
enum TStates { TS_UNDEF, TS_READY, TS_RUN, TS_WAIT, TS_ENTER, TS_CXQ };
// 后一个节点
ObjectWaiter * volatile _next;
// 前一个节点
ObjectWaiter * volatile _prev;
// 线程
Thread* _thread;
// 线程状态
volatile TStates TState;
public:
ObjectWaiter(Thread* thread);
};
看到ObjectWaiter中的_next和_prev你就会明白，这是使用了双向队列实现等待队列的的，但是实际上我们上面的入队操作并没有形成双向列表，形成双向列表是在exit锁的时候。
wait
Java Object 类提供了一个基于 native 实现的 wait 和 notify 线程间通讯的方式,JDK中wait/notify/notifyAll全部是通过native实现的，当然到了JVM，它的实现还是在 src/hotspot/share/runtime/objectMonitor.cpp 中。
void ObjectMonitor::wait(jlong millis, bool interruptible, TRAPS) {
Thread * const Self = THREAD;
JavaThread *jt = (JavaThread *)THREAD;
...
// 如果线程被中断，需要抛出异常
if (interruptible && Thread::is_interrupted(Self, true) && !HAS_PENDING_EXCEPTION) {
THROW(vmSymbols::java_lang_InterruptedException());
return;
}
jt->set_current_waiting_monitor(this);
// 构造 ObjectWaiter节点
ObjectWaiter node(Self);
node.TState = ObjectWaiter::TS_WAIT;
...
// 将ObjectWaiter加入WaitSet的尾部
AddWaiter(&node);
// 让出锁
exit(true, Self);
...
// 调研park()，阻塞当前线程
if (interruptible && (Thread::is_interrupted(THREAD, false) || HAS_PENDING_EXCEPTION)) {
// Intentionally empty
} else if (node._notified == 0) {
if (millis <= 0) {
Self->_ParkEvent->park();
} else {
ret = Self->_ParkEvent->park(millis);
}
}
...
}
// 将node插入双向列表_WaitSet的尾部
inline void ObjectMonitor::AddWaiter(ObjectWaiter* node) {
if (_WaitSet == NULL) {
_WaitSet = node;
node->_prev = node;
node->_next = node;
} else {
ObjectWaiter* head = _WaitSet;
ObjectWaiter* tail = head->_prev;
tail->_next = node;
head->_prev = node;
node->_next = head;
node->_prev = tail;
}
上面我把wait的主要方法逻辑列出来了，主要会执行以下步骤
首先判断当前线程是否被中断，如果被中断了需要抛出InterruptedException 如果没有被中断，则会使用当前线程构造ObjectWaiter节点，将其插入双向链表WaitSet的尾部 调用exit,让出锁(让出锁的逻辑会在后面分析) 调用park(实际上是调用pthread_cond_wait)阻塞当前线程
notify
同样的notify的逻辑也是在ObjectMonitory.cpp中
void ObjectMonitor::notify(TRAPS) {
CHECK_OWNER();
// waitSet为空，直接返回
if (_WaitSet == NULL) {
TEVENT(Empty-Notify);
return;
}
DTRACE_MONITOR_PROBE(notify, this, object(), THREAD);
// 唤醒某个线程
INotify(THREAD);
OM_PERFDATA_OP(Notifications, inc(1));
}
在notify中首先会判断waitSet是否为空，如果为空，表示没有线程在等待，则直接返回。否则则调用INotify方法。
notifyAll方法实际上是循环调用INotify
void ObjectMonitor::INotify(Thread * Self) {
// notify之前需要获取一个锁，保证并发安全
Thread::SpinAcquire(&_WaitSetLock, "WaitSet - notify");
// 移除并返回WaitSet中的第一个元素,比如之前waitSet中是1 <--> 2 <--> 3,现在是返回1，然后waitSet变成 2<-->3
ObjectWaiter * iterator = DequeueWaiter();
if (iterator != NULL) {
// Disposition - what might we do with iterator ?
// a. add it directly to the EntryList - either tail (policy == 1)
// or head (policy == 0).
// b. push it onto the front of the _cxq (policy == 2).
// For now we use (b).
// 设置线程状态
iterator->TState = ObjectWaiter::TS_ENTER;
iterator->_notified = 1;
iterator->_notifier_tid = JFR_THREAD_ID(Self);
ObjectWaiter * list = _EntryList;
if (list != NULL) {
assert(list->_prev == NULL, "invariant");
assert(list->TState == ObjectWaiter::TS_ENTER, "invariant");
assert(list != iterator, "invariant");
}
// prepend to cxq
if (list == NULL) {
iterator->_next = iterator->_prev = NULL;
_EntryList = iterator;
} else {
iterator->TState = ObjectWaiter::TS_CXQ;
for (;;) {
// 将需要唤醒的node放到CXQ的头部
ObjectWaiter * front = _cxq;
iterator->_next = front;
if (Atomic::cmpxchg(iterator, &_cxq, front) == front) {
break;
}
}
}
iterator->wait_reenter_begin(this);
}
// notify执行完成之后释放waitSet锁,注意这里并不是释放线程持有的锁
Thread::SpinRelease(&_WaitSetLock);
}
notify的逻辑比较简单，就是将WaitSet的头节点从队列中移除，如果EntryList为空，则将出队节点放入到EntryList中，如果EntryList不为空，则将节点插入到CXQ列表的头节点。
需要注意的是,notify并没有释放锁，释放锁的逻辑是在exit中
exit
当一个线程获得对象锁成功之后，就可以执行自定义的同步代码块了。执行完成之后会执行到 ObjectMonitor 的 exit 函数中，释放当前对象锁，方便下一个线程来获取这个锁。
void ObjectMonitor::exit(bool not_suspended, TRAPS) {
Thread * const Self = THREAD;
if (THREAD != _owner) {
// 锁的持有者是当前线程
if (THREAD->is_lock_owned((address) _owner)) {
assert(_recursions == 0, "invariant");
_owner = THREAD;
_recursions = 0;
} else {
assert(false, "Non-balanced monitor enter/exit! Likely JNI locking");
return;
}
}
// 重入次数减去1
if (_recursions != 0) {
_recursions--; // this is simple recursive enter
return;
}
for (;;) {
...
w = _EntryList;
// 如果entryList不为空，则将
if (w != NULL) {
assert(w->TState == ObjectWaiter::TS_ENTER, "invariant");
// 执行unpark,让出锁
ExitEpilog(Self, w);
return;
}
w = _cxq;
...
_EntryList = w;
ObjectWaiter * q = NULL;
ObjectWaiter * p;
// 这里将_cxq或者说_EntryList从单向链表变成了一个双向链表
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;
}
w = _EntryList;
if (w != NULL) {
guarantee(w->TState == ObjectWaiter::TS_ENTER, "invariant");
// 执行unpark,让出锁
ExitEpilog(Self, w);
return;
}
...
}
...
}
void ObjectMonitor::ExitEpilog(Thread * Self, ObjectWaiter * Wakee) {
// Exit protocol:
// 1. ST _succ = wakee
// 2. membar #loadstore|#storestore;
// 2. ST _owner = NULL
// 3. unpark(wakee)
_succ = Wakee->_thread;
ParkEvent * Trigger = Wakee->_event;
Wakee = NULL;
// Drop the lock
OrderAccess::release_store(&_owner, (void*)NULL);
OrderAccess::fence();
...
// 释放锁
Trigger->unpark();
}
exit的逻辑还是比较简单的
如果当前是当前线程要让出锁，那么则查看其重入次数是否为0，不为0则将重入次数减去1，然后直接退出。
如果EntryList不为空，则将EntryList的头元素中的线程唤醒
将cxq指针赋值给EntryList，然后通过循环将cxq链表变成双向链表，然后调用ExitEpilog将CXQ链表的头结点唤醒(实际是通过pthread_cond_signal)
从这里之后,EntryList和CXQ就是同一个了，因为将CXQ赋值给了EntryList了。
需要注意的是这里唤醒的线程会继续执行文章开头的EnterI方法，此时会将ObjectWaiter从EntryList或者CXQ中移除。
实战演示
上面的源码均是基于JDK12,JDK8中的代码关于exit和notify都还有其他策略(选择哪个线程)，而从JDK9开始就只保留了默认策略了。
所以下面的Java代码的运行结果无论是在jdk8还是jdk12,得到的结果都是一样的。
Object lock = new Object();
Thread t1 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 1 start!!!!!!");
synchronized (lock) {
try {
lock.wait();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println("Thread 1 end!!!!!!");
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 2 start!!!!!!");
synchronized (lock) {
try {
lock.wait();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println("Thread 2 end!!!!!!");
}
});
Thread t3 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 3 start!!!!!!");
synchronized (lock) {
try {
lock.wait();
} catch (Exception e) {
}
System.out.println("Thread 3 end!!!!!!");
}
});
Thread t4 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 4 start!!!!!!");
synchronized (lock) {
try {
System.in.read();
} catch (Exception e) {
}
lock.notify();
lock.notify();
lock.notify();
System.out.println("Thread 4 end!!!!!!");
}
});
Thread t5 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 5 start!!!!!!");
synchronized (lock) {
System.out.println("Thread 5 end!!!!!!");
}
});
Thread t6 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 6 start!!!!!!");
synchronized (lock) {
System.out.println("Thread 6 end!!!!!!");
}
});
Thread t7 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 7 start!!!!!!");
synchronized (lock) {
System.out.println("Thread 7 end!!!!!!");
}
});
t1.start();
sleep_1_second();
t2.start();
sleep_1_second();
t3.start();
sleep_1_second();
t4.start();
sleep_1_second();
t5.start();
sleep_1_second();
t6.start();
sleep_1_second();
t7.start();
上面的代码很简单，我们来分析一下。
线程1,2,3都调用了wait,所以会阻塞，然后WaitSet的链表结构如下：
线程4获取了锁，在等待一个输入
线程5,6,7也在等待锁，所以他们也会把阻塞，所以CXQ链表结构如下：
当线程4输入任意内容，并回车结束后(调用了其中的3个notify方法，但还未释放锁)
线程4让出锁之后，由于EntryList不为空，所以会先唤醒EntryList中的线程1,然后接下来会唤醒CXQ队列中的线程(后面你可以认为CXQ就是EntryList)
所以最终线程执行顺序为4 1 3 2 7 6 5,我们的输出结果也能验证我们的结论
Thread 1 start!!!!!!
Thread 2 start!!!!!!
Thread 3 start!!!!!!
Thread 4 start!!!!!!
Thread 5 start!!!!!!
Thread 6 start!!!!!!
Thread 7 start!!!!!!
think123
Thread 4 end!!!!!!
Thread 1 end!!!!!!
Thread 3 end!!!!!!
Thread 2 end!!!!!!
Thread 7 end!!!!!!
Thread 6 end!!!!!!
Thread 5 end!!!!!!
一图胜千言
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