Java的wait()、notify()学习三部曲之一：JVM源码分析

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程序员欣宸 发表于 2022/04/22 07:40:34 2022/04/22
【摘要】 阅读jvm源码，分析wait()和notify()的具体实现

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这里分类和汇总了欣宸的全部原创(含配套源码)：https://github.com/zq2599/blog_demos

综述

  • Java的wait()、notify()学习三部曲由三篇文章组成，内容分别是：
    一、通过阅读openjdk8的源码，分析和理解wait，notify在JVM中的具体执行过程；
    二、修改JVM源码，编译构建成新的JVM，把我们感兴趣的参数打印出来，结合具体代码检查和我们的理解是否一致；
    三、修改JVM源码，编译构建成新的JVM，按照我们的理解去修改关键参数，看能否达到预期效果；

  • 现在，咱们一起开始既漫长又深入的wait、notify学习之旅吧！

wait()和notify()的通常用法

  • Java多线程开发中，我们常用到wait()和notify()方法来实现线程间的协作，简单的说步骤如下：
  1. A线程取得锁，执行wait()，释放锁;
  2. B线程取得锁，完成业务后执行notify()，再释放锁;
  3. B线程释放锁之后，A线程取得锁，继续执行wait()之后的代码；

关于synchronize修饰的代码块

  • 通常，对于synchronize(lock){…}这样的代码块，编译后会生成monitorenter和monitorexit指令，线程执行到monitorenter指令时会尝试取得lock对应的monitor的所有权（CAS设置对象头），取得后即获取到锁，执行monitorexit指令时会释放monitor的所有权即释放锁；

一个完整的demo

  • 为了深入学习wait()和notify()，先用完整的demo程序来模拟场景吧，以下是源码：
public class NotifyDemo {

    private static void sleep(long sleepVal){
        try{
            Thread.sleep(sleepVal);
        }catch(Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void log(String desc){
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + desc);
    }

    Object lock = new Object();

    public void startThreadA(){
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                log("get lock");
                startThreadB();
                log("start wait");
                try {
                    lock.wait();
                }catch(InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }

                log("get lock after wait");
                log("release lock");
            }
        }, "thread-A").start();
    }

    public void startThreadB(){
        new Thread(()->{
            synchronized (lock){
                log("get lock");
                startThreadC();
                sleep(100);
                log("start notify");
                lock.notify();
                log("release lock");

            }
        },"thread-B").start();
    }

    public void startThreadC(){
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                log("get lock");
                log("release lock");
            }
        }, "thread-C").start();
    }

    public static void main(String[] args){
        new NotifyDemo().startThreadA();
    }
}
  • 以上就是本次实战用到的demo，代码功能简述如下：
  1. 启动线程A，取得锁之后先启动线程B再执行wait()方法，释放锁并等待；
  2. 线程B启动之后会等待锁，A线程执行wait()之后，线程B取得锁，然后启动线程C，再执行notify唤醒线程A，最后退出synchronize代码块，释放锁;
  3. 线程C启动之后就一直在等待锁，这时候线程B还没有退出synchronize代码块，锁还在线程B手里；
  4. 线程A在线程B执行notify()之后就一直在等待锁，这时候线程B还没有退出synchronize代码块，锁还在线程B手里；
  5. 线程B退出synchronize代码块，释放锁之后，线程A和线程C竞争锁；
  • 把上面的代码在Openjdk8下面执行，反复执行多次，都得到以下结果：
thread-A : get lock
thread-A : start wait
thread-B : get lock
thread-C : c thread is start
thread-B : start notify
thread-B : release lock
thread-A : after wait, acquire lock again
thread-A : release lock
thread-C : get lock
thread-C : release lock

  • 针对以上结果，问题来了：

  • 第一个问题：

  • 将以上代码反复执行多次，结果都是B释放锁之后A会先得到锁，这又是为什么呢？C为何不能先拿到锁呢？

  • 第二个问题：

  • 线程C自开始就执行了monitorenter指令，它能得到锁是容易理解的，但是线程A呢？在wait()之后并没有没有monitorenter指令，那么它又是如何取得锁的呢？

  • wait()、notify()这些方法都是native方法，所以只有从JVM源码寻找答案了，本次阅读的是openjdk8的源码；

带上问题去看JVM源码

  • 按照demo代码执行顺序，我整理了如下问题，带着这些问题去看JVM源码可以聚焦主线，不要被一些支线的次要的代码卡住(例如一些异常处理，监控和上报等)：
  1. 线程A在wait()的时候做了什么？
  2. 线程C启动后，由于此时线程B持有锁，那么线程C此时在干啥？
  3. 线程B在notify()的时候做了什么？
  4. 线程B释放锁的时候做了什么？

源码中最重要的注释信息

  • 在源码中有段注释堪称是整篇文章最重要的说明，请大家始终记住这段信息，处处都用得上：

ObjectWaiter对象存在于WaitSet、EntryList、cxq等集合中，或者正在这些集合中移动

  • 原文如下：
    这里写图片描述
    请务必记住这三个集合：WaitSet、EntryList、cxq

  • 好了，接下来看源码分析问题吧：

线程A在wait()的时候做了什么

  • 打开hotspot/src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp,看ObjectMonitor::wait方法：
    这里写图片描述
  • 如上图所示，有两处代码值得我们注意：
  1. 绿框中将当前线程包装成ObjectWaiter对象，并且状态为TS_WAIT，这里对应的是jstack看到的线程状态WAITING；
  2. 红框中调用了AddWaiter方法，跟进去看下：
    这里写图片描述

  • 这个ObjectWaiter对象被放入了_WaitSet中，_WaitSet是个环形双向链表(circular doubly linked list)

  • 回到ObjectMonitor::wait方法接着往下看，会发现关键代码如下图，当前线程通过park()方法开始挂起(suspend)：
    这里写图片描述

  • 至此，我们把wait()方法要做的事情就理清了：

  1. 包装成ObjectWaiter对象，状态为TS_WAIT；
  2. ObjectWaiter对象被放入_WaitSet中；
  3. 当前线程挂起；

线程B持有锁的时候线程C在干啥

  • 此时的线程C无法进入synchronized{}代码块，用jstack看应该是BLOCKED状态，如下图：
    这里写图片描述
  • 我们看看monitorenter指令对应的源码吧，位置：openjdk/hotspot/src/share/vm/interpreter/interpreterRuntime.cpp
IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void, InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread* thread, BasicObjectLock* elem))
#ifdef ASSERT
  thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
  if (PrintBiasedLockingStatistics) {
    Atomic::inc(BiasedLocking::slow_path_entry_count_addr());
  }
  Handle h_obj(thread, elem->obj());
  assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(h_obj()),
         "must be NULL or an object");
  if (UseBiasedLocking) {
    // Retry fast entry if bias is revoked to avoid unnecessary inflation
    ObjectSynchronizer::fast_enter(h_obj, elem->lock(), true, CHECK);
  } else {
    ObjectSynchronizer::slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK);
  }
  assert(Universe::heap()->is_in_reserved_or_null(elem->obj()),
         "must be NULL or an object");
#ifdef ASSERT
  thread->last_frame().interpreter_frame_verify_monitor(elem);
#endif
IRT_END

  • 上面的代码有个if (UseBiasedLocking)判断，是判断是否使用偏向锁的，本例中的锁显然已经不属于当前线程C了，所以我们还是直接看slow_enter(h_obj, elem->lock(), CHECK)方法吧；

  • 打开openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/synchronizer.cpp：

void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS) {
  markOop mark = obj->mark();
  assert(!mark->has_bias_pattern(), "should not see bias pattern here");

  //是否处于无锁状态
  if (mark->is_neutral()) {
    // Anticipate successful CAS -- the ST of the displaced mark must
    // be visible <= the ST performed by the CAS.
    lock->set_displaced_header(mark);
    //无锁状态就去竞争锁
    if (mark == (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark)) {
      TEVENT (slow_enter: release stacklock) ;
      return ;
    }
    // Fall through to inflate() ...
  } else
  if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
    //如果处于有锁状态，就检查是不是当前线程持有锁，如果是当前线程持有的，就return，然后就能执行同步代码块中的代码了
    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;
  }

#if 0
  // The following optimization isn't particularly useful.
  if (mark->has_monitor() && mark->monitor()->is_entered(THREAD)) {
    lock->set_displaced_header (NULL) ;
    return ;
  }
#endif

  // The object header will never be displaced to this lock,
  // so it does not matter what the value is, except that it
  // must be non-zero to avoid looking like a re-entrant lock,
  // and must not look locked either.
  lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
  //锁膨胀
  ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);
}
  • 线程C在上面代码中的执行顺序如下：
  1. 判断是否是无锁状态，如果是就通过Atomic::cmpxchg_ptr去竞争锁；
  2. 不是无锁状态，就检查当前锁是否是线程C持有；
  3. 不是线程C持有，调用inflate方法开始锁膨胀；

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

  • 来看看锁膨胀的源码：
    这里写图片描述

  • 如上图，锁膨胀的代码太长，我们这里只看关键代码吧：

  • 红框中，如果当前状态已经是重量级锁，就通过mark->monitor()方法取得ObjectMonitor指针再返回；

  • 绿框中，如果还不是重量级锁，就检查是否处于膨胀中状态（其他线程正在膨胀中），如果是膨胀中，就调用ReadStableMark方法进行等待，ReadStableMark方法执行完毕后再通过continue继续检查，ReadStableMark方法中还会调用os::NakedYield()释放CPU资源；

  • 如果红框和绿框的条件都没有命中，目前已经是轻量级锁了(不是重量级锁并且不处于锁膨胀状态)，可以开始膨胀了，如下图：
    这里写图片描述

  • 简单来说，锁膨胀就是通过CAS将监视器对象OjectMonitor的状态设置为INFLATING，如果CAS失败，就在此循环，再走前一副图中的的红框和绿框中的判断，如果CAS设置成功，会继续设置ObjectMonitor中的header、owner等字段，然后inflate方法返回监视器对象OjectMonitor；

  • 看看之前slow_enter方法中，调用inflate方法的代码如下：

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

  • 所以inflate方法返回监视器对象OjectMonitor之后，会立刻执行OjectMonitor的enter方法，这个方法中开始竞争锁了，方法在openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp文件中：
    这里写图片描述

  • 如上图，红框中表示OjectMonitor的enter方法一进来就通过CAS将OjectMonitor的_owner设置为当前线程，绿框中表示设置成功的逻辑，第一个if表示重入锁的逻辑，第二个if表示第一次设置_owner成功，都意味着竞争锁成功，而我们的线程C显然是竞争失败的，会进入下图中的无线循环，反复调用EnterI方法：
    这里写图片描述

  • 进入EnterI方法看看：
    这里写图片描述

  • 如上图，首先构造一个ObjectWaiter对象node，后面的for(;;)代码块中来是一段非常巧妙的代码，同一时刻可能有多个线程都竞争锁失败走进这个EnterI方法，所以在这个for循环中，用CAS将_cxq地址放入node的_next，也就是把node放到_cxq队列的首位，如果CAS失败，就表示其他线程把node放入到_cxq的首位了，所以通过for循环再放一次，只要成功，此node就一定在最新的_cxq队列的首位。

  • 接下来的代码又是一个无限循环，如下图：
    这里写图片描述

  • 从上图可以看出，进入循环后先调用TryLock方法竞争一次锁，如果成功了就退出循环，否则就调用Self->_ParkEvent->park方法使线程挂起，这里有自旋锁的逻辑，也就是park方法带了时间参数，就会在挂起一段时间后自动唤醒，如果不是自旋的条件，就一直挂起等待被其他条件唤醒，线程被唤醒后又会执行TryLock方法竞争一次锁，竞争不到继续这个for循环；

  • 到这里我们已经把线程C在BLOCK的时候的逻辑理清楚了，小结如下：

  1. 偏向锁逻辑，未命中；
  2. 如果是无锁状态，就通过CAS去竞争锁，此处由于锁已经被线程B持有，所以不是无锁状态；
  3. 不是无锁状态，而且锁不是线程C持有，执行锁膨胀，构造OjectMonitor对象；
  4. 竞争锁，竞争失败就将线程加入_cxq队列的首位；
  5. 开始无限循环，竞争锁成功就退出循环，竞争失败线程挂起，等待被唤醒后继续竞争；

线程B在notify()的时候做了什么

  • 接下来该线程B执行notify了，代码是objectMonitor.cpp的ObjectMonitor::notify方法：
    这里写图片描述
  • 如上图所示，首先是Policy的赋值，其次是调用DequeueWaiter()方法将_WaitSet队列的第一个值取出并返回，还记得_WaitSet么？所有wait的线程都被包装成ObjectWaiter对象然后放进来了；
  • 接下来对ObjectWaiter对象的处理方式，根据Policy的不同而不同：
    Policy == 0：放入_EntryList队列的排头位置；
    Policy == 1：放入_EntryList队列的末尾位置；
    Policy == 2：_EntryList队列为空就放入_EntryList，否则放入_cxq队列的排头位置；

这里写图片描述

  • 如上图所示，请注意把ObjectWaiter的地址写到_cxq变量的时候要用CAS操作，因为此时可能有其他线程正在竞争锁，竞争失败的时候会将自己包装成ObjectWaiter对象加入到_cxq中；

  • 这里的代码有一处疑问，期待着读着您的指教：如果_EntryList为空，就把ObjectWaiter放入ObjectWaiter中，为什么要这样做呢？

  • Policy == 3：放入_cxq队列中，末尾位置；更新_cxq变量的值的时候，同样要通过CAS注意并发问题；

  • 这里有一段很巧妙的代码，现将_cxq保存在Tail中，正常情况下将ObjectWaiter赋值给Tail->_next就可以了，但是此时有可能其他线程正在_cxq的尾部追加数据了，所以此时Tail对象对应的记录就不是最后一条了，那么它的_next就非空了，一旦发生这种情况，就执行Tail = Tail->_next，这样就获得了最新的_cxq的尾部数据，如下图所示：
    这里写图片描述

  • Policy等于其他值，立即唤醒ObjectWaiter对应的线程；

  • 小结一下，线程B执行notify时候做的事情：

  1. 执行过wait的线程都在队列_WaitSet中，此处从_WaitSet中取出第一个；
  2. 根据Policy的不同，将这个线程放入_EntryList或者_cxq队列中的起始或末尾位置；

线程B释放锁的时候做了什么

  • 接下来到了揭开问题的关键了，我们来看objectMonitor.cpp的ObjectMonitor::exit方法；
    这里写图片描述

  • 如上图，方法一进来先做一些合法性判断，接下来如红框所示，是偏向锁逻辑，偏向次数减一后直接返回，显然线程B在此处不会返回，而是继续往下执行；

  • 根据QMode的不同，有不同的处理方式：

  1. QMode = 2，并且_cxq非空：取_cxq队列排头位置的ObjectWaiter对象，调用ExitEpilog方法，该方法会唤醒ObjectWaiter对象的线程，此处会立即返回，后面的代码不会执行了；
  2. QMode = 3，并且_cxq非空：把_cxq队列首元素放入_EntryList的尾部；
  3. QMode = 4，并且_cxq非空：把_cxq队列首元素放入_EntryList的头部；
  4. QMode = 0，不做什么，继续往下看；

  • 只有QMode=2的时候会提前返回，等于0、3、4的时候都会继续往下执行：

  • 如果_EntryList的首元素非空，就取出来调用ExitEpilog方法，该方法会唤醒ObjectWaiter对象的线程，然后立即返回；

  • 如果_EntryList的首元素为空，就取_cxq的首元素，放入_EntryList，然后再从_EntryList中取出来执行ExitEpilog方法，然后立即返回；

  • 以上操作，均是执行过ExitEpilog方法然后立即返回，如果取出的元素为空，就执行循环继续取；

  • 小结一下，线程B释放了锁之后，执行的操作如下：

  1. 偏向锁逻辑，此处未命中；
  2. 根据QMode的不同，将ObjectWaiter从_cxq或者_EntryList中取出后唤醒；
  3. 唤醒的元素会继续执行挂起前的代码，按照我们之前的分析，线程唤醒后，就会通过CAS去竞争锁，此时由于线程B已经释放了锁，那么此时应该能竞争成功；
  • 到了现在已经将之前的几个问题搞清了，汇总起来看看：
  1. 线程A在wait() 后被加入了_WaitSet队列中；
  2. 线程C被线程B启动后竞争锁失败，被加入到_cxq队列的首位；
  3. 线程B在notify()时，从_WaitSet中取出第一个，根据Policy的不同，将这个线程放入_EntryList或者_cxq队列中的起始或末尾位置；
  4. 根据QMode的不同，将ObjectWaiter从_cxq或者_EntryList中取出后唤醒；；

  • 所以，最初的问题已经清楚了，wait()的线程被唤醒后，会进入一个队列，然后JVM会根据Policy和QMode的不同对队列中的ObjectWaiter做不同的处理，被选中的ObjectWaiter会被唤醒，去竞争锁；

  • 至此，源码分析已结束，但是因为我们不知道Policy和QMode参数到底是多少，所以还不能对之前的问题有个明确的结果，这些还是留在下一章来解答吧，下一章里我们去修改JVM源码，把参数都打印出来；

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