JVM原理与实现——Synchronized关键字

本文出自:【InTheWorld的博客】 （欢迎留言、交流）

在多线程的Java程序中，Synchronized关键字是经常出现的。这篇文章里，我们就来研究一下它的实现原理。比如以下的示例程序：

public class SynchronizedTest {
    int syncFunc() {
        synchronized(this) {
            int a = 0;
            return a;
        }
    }
}

对应的字节码如下：

Compiled from "SynchronizedTest.java"
public class SynchronizedTest {
  public SynchronizedTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: return

  int syncFunc();
    Code:
       0: aload_0
       1: dup
       2: astore_1
       3: monitorenter
       4: iconst_0
       5: istore_2
       6: iload_2
       7: aload_1
       8: monitorexit
       9: ireturn
      10: astore_3
      11: aload_1
      12: monitorexit
      13: aload_3
      14: athrow
    Exception table:
       from    to  target type
           4     9    10   any
          10    13    10   any
}

Java编译器为synchronized关键字生成了monitorenter和monitorexit字节码。这两个关键字把临界区包裹起来，实现了函数的线程安全。所以我们需要研究一下monitorenter和monitorexit字节码的工作原理。换句话说，就是要找到JVM是如何解释执行这两个字节码的。

谈到Java解释器就说来话长了，因为JVM中有多个Interpreter的实现。虽然它们的效率有比较大的差异，但可用性都是有保证的，毕竟Java都二十多年了。这里为了简单起见，我就拿比较初级的BytecodeInterpreter分析了。这个字节码解释器有一个重要的run()方法，它就是实现字节码解析和执行的函数。虽然功能听起来挺高大上的，但实际上就是一个很大的switch语句。不信你来看代码！

  while (1)
  {
      opcode = *pc;
      switch (opcode)
      {
      CASE(_nop):
          UPDATE_PC_AND_CONTINUE(1);
          /* Push miscellaneous constants onto the stack. */
      CASE(_aconst_null):
          SET_STACK_OBJECT(NULL, 0);
          UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(1, 1);
          /* Push a 1-byte signed integer value onto the stack. */
      CASE(_monitorenter): {
        oop lockee = STACK_OBJECT(-1);
        // derefing's lockee ought to provoke implicit null check
        CHECK_NULL(lockee);
        // find a free monitor or one already allocated for this object
        // if we find a matching object then we need a new monitor
        // since this is recursive enter
        BasicObjectLock* limit = istate->monitor_base();
        BasicObjectLock* most_recent = (BasicObjectLock*) istate->stack_base();
        BasicObjectLock* entry = NULL;
        while (most_recent != limit ) {
          if (most_recent->obj() == NULL) entry = most_recent;
          else if (most_recent->obj() == lockee) break;
          most_recent++;
        }
        if (entry != NULL) {
          entry->set_obj(lockee);
          markOop displaced = lockee->mark()->set_unlocked();
          entry->lock()->set_displaced_header(displaced);
          if (Atomic::cmpxchg_ptr(entry, lockee->mark_addr(), displaced) != displaced) {
            // Is it simple recursive case?
            if (THREAD->is_lock_owned((address) displaced->clear_lock_bits())) {
              entry->lock()->set_displaced_header(NULL);
            } else {
              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
        }
      }
  }

这段代码被各种删减之后，你会发现它是如此的简单。while循环加switch，确定不是《程序设计基础》第二章的例题？虽然这段代码已经非常简单了，但是你依然可以清晰的看到我们的主角——_monitorenter，这个重要的字节码。它的兄弟字节码_moniterexit，我们先按下不表。等我们搞清楚_moniterenter，你会发现_moniterexit只是一个逆向操作而已。

1. lightweight locked(轻度锁)

然而这个moniterenter却很不简单呀！先看if (entry != NULL)之前的代码，这段代码的功能就是尝试分配一个可用的entry。关于这个entry的使用，就到了if语句之后的部分了。这段代码看似简单，但还是需要一些背景知识才可能理解的。首先需要介绍的是Mark Word，这是每一个Object对象都拥有的一个域。在32位的机器上，Mark Word的长度也是32位，它的具体含义如下图：

图中的每一行代表一个独立状态，状态之间是互斥的。第一种状态是Object的正常状态，第二种状态是轻度锁的状态第三种是moniter重度锁状态，第五种是偏向锁状态。我们首先把重点放在前三种状态上，来研究Object的锁是如何工作的。为了方便理解，贴两图出来。下面这张图是进入if语句之前的状态：

这里的Lock record就是刚刚提到的entry变量，而Object对象头部的mark word也表示它还是个“单身汉”。接下来，当前线程会尝试进入轻度锁状态。这个过程如下图所示：

if语句内部的前三行代码实际上就是完成了Lock record的赋值，这其中包括根据Object的mark word设置header，以及把entry的obj（也就是owner）指向Object。然后就到了激动人心的时刻，该CAS出场了，能不能拿到轻量锁就在此一举了！

这个CompareAndSwap的作用就是——比较Object的mark word和Lock record的header是否相同。如果相同，那么就把entry的地址赋值给mark word；如果不同，说明Object已经名花有主了，然后尝试其他方式。这里有一个非常有趣的trick，值得和大家一说。为什么轻量锁状态的tag bits是00，而不是其他值呢？答案就是，在CAS的成功操作中，会把entry的地址赋值给mark word。一般来说，地址值的低两位会有多种组合，但是如果我们在构造entry是按4字节对齐，那么它地址的低两位就一定是00。而且4字节对齐会更容易实现，所以就把tag bits规定为这样了。

2. monitor重度锁

前面的代码中，如果CAS成功，那么就直接进入后续的字节码执行了，所以我们要研究CAS失败的情况。如果失败了，首先会检查是不是当前线程重入了，如果是，那么也相当于成功了。如果判断也不是当前线程重入，那就到了InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD, entry), handle_exception)的表演时刻了。

实际上InterpreterRuntime::monitorenter()方法也会再尝试一次CAS，因为一段时间之后，锁可能已经被释放了。如果还是失败，就没办法了——进入monitor重度锁吧！这个操作是由ObjectMonitor::enter()完成的。

void ATTR ObjectMonitor::enter(TRAPS) {
   Thread * const Self = THREAD ;
   void * cur ;
  Atomic::inc_ptr(&_count);

  EventJavaMonitorEnter event;

  { // Change java thread status to indicate blocked on monitor enter.
    JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this);

    DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__enter, this, object(), jt);
    if (JvmtiExport::should_post_monitor_contended_enter()) {
      JvmtiExport::post_monitor_contended_enter(jt, this);
    }

    OSThreadContendState osts(Self->osthread());
    ThreadBlockInVM tbivm(jt);

    Self->set_current_pending_monitor(this);

    // TODO-FIXME: change the following for(;;) loop to straight-line code.
    for (;;) {
      jt->set_suspend_equivalent();

      EnterI (THREAD) ;

      if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;

      exit (false, Self) ;

      jt->java_suspend_self();
    }
    Self->set_current_pending_monitor(NULL);
  }

   Atomic::dec_ptr(&_count);
   assert (_count >= 0, "invariant") ;
   Self->_Stalled = 0 ;

  if (ObjectMonitor::_sync_ContendedLockAttempts != NULL) {
     ObjectMonitor::_sync_ContendedLockAttempts->inc() ;
  }
}

这个函数会在for循环中不断检查是否拿到了Moniter锁，如果拿到了就成功的执行完了这个monitorenter字节码了。这里就先不介绍monitorexit了。还有就是偏向锁也没有介绍，等后续有需要的话再写了。

参考：

http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/biasedlocking-oopsla2006-preso-150106.pdf