- OpenJDK 8中markwrord 内存布局与状态定义
- 偏向锁 (Biased Locking) 的底层行为与系统影响
- OpenJDK 8源码实现剖析
- CPU 核心与内核影响
- 轻量级锁 (Lightweight Locking) 与 CPU CAS 锁总线/缓存行
- OpenJDK 8源码实现剖析
- CPU 核心与内核影响
- 重量级锁 (Heavyweight Locking) 膨胀与 Linux 内核 Futex 协同
- OpenJDK 8源码实现剖析
- CPU 核心与内核影响
- markwrord 状态变化对系统级影响的横向对比
前言
本文旨在记录近期研读Java源码的学习心得与疑难问题。由于个人理解水平有限,文中内容难免存在疏漏,恳请读者不吝指正。
markwrord状态变对CPU核心与Linux内核的影响
OpenJDK 8中markwrord 内存布局与状态定义
在 OpenJDK 8中,markwrord 的结构定义在 src/share/vm/oops/markOop.hpp 中。它是 Java 对象头(Object Header)的核心组成部分,其大小与 CPU 的位数一致(32位或64位)。通过低几位的组合,markwrord 实现了对“无锁”、“偏向锁”、“轻量级锁”、“重量级锁”和“GC标记”五种状态的复用。
以下是 markOop.hpp 中关于 64 位架构下 markwrord 内存布局的源码定义:
// src/share/vm/oops/markOop.hpp
// 64 bits:
// --------
// unused:25 hash:31 -->| unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
// JavaThread*:54 epoch:2 unused:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//
// - biased_lock_bits = 1, lock_bits = 2
// - lock 状态位映射:
// 00 -> Lightweight Locked (轻量级锁)
// 01 -> Unlocked / Biased (无锁或偏向锁,由 biased_lock_bits 进一步区分)
// 10 -> Heavyweight Locked (重量级锁)
// 11 -> Marked for GC (GC 标记清除状态)
class markOopDesc: public oopDesc {
private:
// 返回不带任何锁标记的原始数值
uintptr_t value() const{ return (uintptr_t) this; }
public:
// 状态位常量定义
enum {
lock_bits = 2,
biased_lock_bits = 1,
max_hash_bits = BitsPerWord - lock_bits - biased_lock_bits - 4 - 1, // 64-2-1-4-1 = 56 位 (包含 unused)
hash_bits = 31, // 实际 hash 占 31 位
age_bits = 4,
epoch_bits = 2
};
// 状态掩码与位移
enum {
locked_value = 0, // 00
unlocked_value = 1, // 01
monitor_value = 2, // 10
marked_value = 3, // 11
biased_lock_pattern = 5// 101 (binary)
};
// 判断当前 markwrord 是否处于偏向锁状态
bool has_bias_pattern() const{
return (value() & (biased_lock_mask_in_place)) == biased_lock_pattern;
}
// 判断是否是重量级锁
bool has_monitor() const{
return ((value() & monitor_value) != 0);
}
};
偏向锁 (Biased Locking) 的底层行为与系统影响
偏向锁的目标是解决“无竞争”情况下的单线程锁重入问题。当一个锁对象第一次被某个线程获取时,JVM 会将 markwrord 设为偏向模式,并利用 CAS 将当前线程的 ID 写入 markwrord 中。
OpenJDK 8源码实现剖析
偏向锁的获取逻辑主要在 src/share/vm/runtime/synchronizer.cpp 和平台相关的汇编器(如 src/cpu/x86/vm/macroAssembler_x86.cpp)中。
// src/share/vm/runtime/synchronizer.cpp
void ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle obj, BasicLock* lock, bool attempt_rebias, TRAPS){
if (UseBiasedLocking) {
if (!SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) {
// 快速路径:尝试获取偏向锁
BiasedLocking::Condition cond = BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj, attempt_rebias, THREAD);
if (cond == BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED) {
return; // 偏向锁获取或重偏向成功,直接返回
}
} else {
assert(!attempt_rebias, "can not rebias of safepoint");
BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
}
}
// 偏向锁未开启、或获取失败,则进入轻量级锁逻辑
slow_enter(obj, lock, THREAD);
}
在底层 x86 汇编层面,macroAssembler_x86.cpp 中的 biased_locking_enter 负责生成无锁总线消耗的检测指令:
// src/cpu/x86/vm/macroAssembler_x86.cpp
void MacroAssembler::biased_locking_enter(Register obj_reg, Register obj_header_reg,
Register swap_reg, Register tmp_reg,
bool swap_reg_contains_mark,
Label& done, Label* slow_case,
BiasedLockingCounters* counters){
// 1. 检查 markwrord 的低三位是否为 101 (偏向锁标记)
movptr(obj_header_reg, Address(obj_reg, oopDesc::mark_offset_in_bytes()));
movptr(swap_reg, obj_header_reg);
andptr(swap_reg, markOopDesc::biased_lock_mask_in_place);
cmpptr(swap_reg, markOopDesc::biased_lock_pattern);
jcc(Assembler::notEqual, cas_label); // 不是偏向锁,走向轻量级锁 CAS
// 2. 检查偏向锁中的 Thread ID 是否指向当前线程
movptr(swap_reg, r15_thread); // r15 在 x86_64 上存储着当前 JavaThread 指针
xorptr(swap_reg, obj_header_reg);
andptr(swap_reg, ~((int32_t)markOopDesc::age_mask_in_place | markOopDesc::epoch_mask_in_place));
jcc(Assembler::equal, done); // Thread ID 匹配,锁重入成功,完全没有原子指令
// ... 偏向锁撤销或重偏向的慢速路径
}
CPU 核心与内核影响
- CPU 缓存一致性与总线流速:当锁处于偏向状态且未发生竞争时,获取和释放锁的过程不需要执行任何原子汇编指令(如
LOCK 前缀指令)。CPU 核心仅对本核的 L1/L2 Cache 进行常规的 Read/Write 操作。根据 MESI 协议,该缓存行(Cache Line)保持在 Modified (M) 或 Exclusive (E) 状态,不会向内核总线发送无效化(Invalidate)消息,从而避免了缓存行回写与总线交通拥堵。 - Linux 内核影响:完全发生在 JVM 用户态。Linux 内核对此无感知,线程始终处于
TASK_RUNNING 状态,不涉及系统调用与内核调度。 - 全局安全点(Safepoint)代价:如果另一个线程尝试获取已被偏向的锁,JVM 必须撤销(Revoke)偏向锁。偏向锁撤销必须在 Safepoint 下进行。这时,VM 线程会向所有 CPU 核心发送中断信号或设置安全点内存页屏蔽保护,迫使所有 Java 线程进入暂停状态。Linux 内核需要将这些线程的上下文挂起,切换到信号处理或安全点等待逻辑,带来显著的进程级上下文切换开销。
轻量级锁 (Lightweight Locking) 与 CPU CAS 锁总线/缓存行
当偏向锁关闭,或者多个线程交替交替获取锁(无激烈竞争)时,markwrord 会转换为轻量级锁状态。
OpenJDK 8源码实现剖析
轻量级锁的核心在于在当前线程的栈帧(Stack Frame)中创建一个锁记录(BasicObjectLock 中的 BasicLock),并将对象的 markwrord 复制到该锁记录中(称为 Displaced markwrord),然后通过 CAS 将对象的 markwrord 指向该锁记录。
// src/share/vm/runtime/synchronizer.cpp
void ObjectSynchronizer::slow_enter(Handle obj, BasicLock* lock, TRAPS){
markOop mark = obj->mark();
if (mark->is_neutral()) { // 如果当前是无锁状态 (001)
// 1. 将原 markwrord 复制到线程栈帧的 Lock Record 中
lock->set_displaced_header(mark);
// 2. 通过 CAS 尝试将对象头的 markwrord 替换为指向 Lock Record 的指针
if (Atomic::cmpxchg_ptr(lock, obj()->mark_addr(), mark) == mark) {
return; // CAS 成功,当前线程获取轻量级锁
}
} else if (mark->has_locker() && THREAD->is_lock_owned((address)mark->locker())) {
// 3. 如果是当前线程自身的锁重入
lock->set_displaced_header(NULL); // 压入 NULL 标记,代表重入
return;
}
// 4. 存在锁竞争,或者锁已被其他线程持有,升级为重量级锁
lock->set_displaced_header(markOopDesc::unused_mark());
ObjectSynchronizer::inflate(THREAD, obj())->enter(THREAD);
}
其底层 CAS 最终调用 src/os_cpu/linux_x86/vm/atomic_linux_x86.inline.hpp 中的内联汇编:
// src/os_cpu/linux_x86/vm/atomic_linux_x86.inline.hpp
inline intptr_t Atomic::cmpxchg_ptr(intptr_t exchange_value, volatile intptr_t* dest, intptr_t compare_value){
intptr_t result;
// __asm__ __volatile__ 嵌入汇编,使用 lock cmpxchgq 指令
__asm__ __volatile__ (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgq %1,(%3)"
: "=a" (result)
: "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
: "cc", "memory");
return result;
}
CPU 核心与内核影响
LOCK 前缀与总线/缓存锁:在现代 Intel/AMD CPU 上,lock cmpxchgq 指令不会无条件锁住物理系统总线。如果目标内存地址(即对象头所在的缓存行)已经缓存在当前 CPU 核心的 L1/L2 Cache 中,CPU 会触发缓存锁定(Cache Locking)。
MESI 协议与缓存行弹跳(Cache Line Bouncing):
执行 lock cmpxchgq 的 CPU 核心会向内核总线发出 RFO (Request For Ownership) 信号,将其他 CPU 核心中对应的缓存行状态从 Shared (S) 变更为 Invalid (I)。
执行核心将自身缓存行状态设为 Modified (M) 并独占写入。
如果多个 CPU 核心上的线程频繁交替执行此 CAS 指令,会导致该对象头所在的缓存行在不同的 CPU 核心之间频繁“弹跳”,触发大量的 L1/L2 缓存未命中(Cache Miss)与数据总线同步流量,拖慢 CPU 整体的执行流速。
Memory Barrier (内存屏障):LOCK 前缀指令具有隐式的全屏障(Full Barrier)作用,它会刷新 CPU 的 Store Buffer 与 Load Buffer,阻止指令重排。这会导致当前核心的流水线(Pipeline)被强制清空(Flush),暂时阻止了流水线的乱序执行(Out-of-Order Execution)能力。
Linux 内核影响:依然维持在用户态。虽然 CPU 产生了硬件级别的同步消耗,但由于未调用系统调用,Linux 内核不参与线程调度,上下文切换数(Context Switches)不会增加。
重量级锁 (Heavyweight Locking) 膨胀与 Linux 内核 Futex 协同
当轻量级锁发生竞争,或者 CAS 自旋超时,JVM 会触发锁膨胀(Inflation),将 markwrord 的低两位修改为 10,并将其余位数指向一个多线程同步器——ObjectMonitor 结构体。
OpenJDK 8源码实现剖析
锁膨胀逻辑位于 src/share/vm/runtime/synchronizer.cpp 的 ObjectSynchronizer::inflate:
// src/share/vm/runtime/synchronizer.cpp
ObjectMonitor* ObjectSynchronizer::inflate(Thread * Self, oop object){
for (;;) {
markOop mark = object->mark();
// 情况 1:已经是重量级锁了,直接返回
if (mark->has_monitor()) {
return mark->monitor();
}
// 情况 2:正在膨胀中,说明有其他线程在操作,当前线程稍作自旋等待
if (mark == markOopDesc::INFLATING()) {
ReadStableMark(object);
continue;
}
// 情况 3:当前是轻量级锁,尝试升级为重量级锁
if (mark->has_locker()) {
ObjectMonitor * m = omAlloc(Self); // 从线程本地或全局队列分配一个 ObjectMonitor
m->Recycle();
m->_Responsible = NULL ;
m->_recursions = 0 ;
m->_SpinDuration = ObjectMonitor::Knob_SpinLimit ; // 设置自旋参数
// 将 markwrord 替换为 INFLATING 状态
markOop cmp = (markOop) Atomic::cmpxchg_ptr(markOopDesc::INFLATING(), object->mark_addr(), mark);
if (cmp != mark) {
omRelease(Self, m, true);
continue; // CAS 失败,重试
}
// 填充 ObjectMonitor 的属性
m->set_header(mark->displaced_header());
m->set_owner(mark->locker());
m->set_object(object);
// 最终将对象头的 markwrord 指向 ObjectMonitor,状态位设为 10
object->release_set_mark(markOopDesc::encode(m));
return m;
}
// ... 情况 4:无锁状态下的膨胀
}
}
在获取 ObjectMonitor 时,如果自旋失败,最终会调用 ObjectMonitor::EnterI 并进入操纵系统级别的挂起逻辑:
// src/share/vm/runtime/objectMonitor.cpp
void ObjectMonitor::EnterI (TRAPS){
Thread * Self = THREAD ;
// ... 尝试自旋获取锁
// 将当前线程封装为 ObjectWaiter 节点,并放入 _cxq 队列
ObjectWaiter node(Self);
Self->_ParkEvent->Reset() ;
node._notified = 0 ;
node.TState = ObjectWaiter::TS_CXQ ;
ObjectWaiter * nxt ;
for (;;) {
node._next = nxt = _cxq ;
if (Atomic::cmpxchg_ptr(&node, &_cxq, nxt) == nxt) break ;
}
// 阻塞线程的循环
for (;;) {
if (TryLock (Self) > 0) break ; // 再次尝试获取锁
// 真正触发 OS 级别挂起
if ((SyncFlags & 2) && _Responsible == NULL) {
Atomic::cmpxchg_ptr (Self, &_Responsible, NULL) ;
}
// 调用 os::PlatformEvent::park() 挂起线程
Self->_ParkEvent->park() ;
if (TryLock(Self) > 0) break ;
// ... 处理伪唤醒
}
}
Linux 平台下的 os::PlatformEvent::park() 位于 src/os/linux/vm/os_linux.cpp:
// src/os/linux/vm/os_linux.cpp
void os::PlatformEvent::park() {
int status ;
// 原子操作:将当前状态设为 0(即需要挂起)
if (Atomic::xchg(&_Event, 0) <= 0) {
pthread_mutex_lock(_mutex); // 获取底层的 POSIX 互斥锁
while (_Event < 0) {
// 调用 Linux 线程库的 pthread_cond_wait,底层映射为 Linux 内核的 futex 系统调用
status = pthread_cond_wait(_cond, _mutex);
}
pthread_mutex_unlock(_mutex);
}
}
CPU 核心与内核影响
当轻量级锁升级为重量级锁,或者直接在重量级锁上产生未命中自旋时,系统层面会发生剧烈的震荡:
1. CPU 核心层面的改变
PAUSE 指令的密集调用:在进入重量级锁的自旋优化(Adaptive Spinning)期间,JVM 会密集执行 PAUSE 汇编指令。PAUSE 通知 CPU 当前处于自旋等待循环,CPU 会暂停流水线中指令的解码,防止因内存依赖性冲突导致处理器在退出循环时清空流水线(Pipeline Flush),大幅降低自旋期间的 CPU 功耗和热量。- TLB 与 Cache 局部性失效:一旦自旋失败,线程准备挂起,CPU 必须保存当前执行流的寄存器上下文。当线程被唤醒并在另一个 CPU 核心上调度执行时,由于跨核心迁移,新核心的 L1/L2 缓存中完全没有该线程的数据(Cache Cold Start),并且由于进程/线程间地址转换可能带来的快表(TLB)刷新,会导致短期内频繁发生 TLB Miss 和 Cache Miss。
2. Linux 内核层面的改变
- 用户态到内核态的上下文切换(Context Switch):
pthread_cond_wait 触发 sys_futex 系统调用(通过 syscall 指令转换到特权级别 Ring 0)。CPU 核心的堆栈指针从用户栈切换到内核栈,保存通用寄存器群(RAX, RCX, RDI 等)到进程的 pt_regs 结构体。 - 内核 O(1) 锁管理(Futex Hash Bucket):内核接收到
FUTEX_WAIT 请求后,会根据 _cond 变量的虚拟地址,在内核的 futex_hash_bucket 散列表中计算哈希值,获取对应的平衡二叉树/链表槽位,将当前线程的 task_struct 挂入该哈希桶的等待队列中。 - 状态机转换与进程调度器(Scheduler)介入:
- 内核将该线程的
task_struct->state 状态从 TASK_RUNNING 改为 TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE。 - 调用
schedule() 函数唤醒 Linux 调度器,将其从当前 CPU 核心的运行队列(runqueue)中摘除。 - 调度器选择下一个处于
TASK_RUNNING 状态的最高优先级线程,将其寄存器上下文载入 CPU 核心,完成一次主动上下文切换(Voluntary Context Switch)。
markwrord 状态变化对系统级影响的横向对比
下表总结了从无锁到重量级锁的演进过程中,底层的硬件与内核性能指标变化:
| | | | | |
|---|
| 偏向锁 | 101 | mov | | | 多线程交替执行时的 Safepoint 偏向撤销 造成的系统停顿 |
| 轻量级锁 | 000 | lock cmpxchgq | 触发 Cache Locking,使其他核心缓存行变为 I | | 高频交替竞争时的 缓存行弹跳(Cache Bouncing) 与流水线清空 |
| 重量级锁 | 010 | PAUSE | 自旋期降低功耗;挂起后发生 Cache/TLB Cold Start | 触发 Ring 3→Ring 0 切换,修改 task_struct 并引发调度 | 频繁竞争引起的 上下文切换(Context Switch) 与内核态 CPU 占满 |