Java是否会重新锁定单个锁

Question

这个问题是关于Java使用偏向锁定的启发式方法之一。下一段是为了未来的读者;我怀疑任何能回答这个问题的人都可以安全地跳过它。

据我所知，曾经有人注意到Java有许多线程安全的类，但其实例往往只被一个线程使用，所以Sun引入了偏向锁定来利用它。问题是，如果你“猜错”并试图偏置需要从两个线程使用的锁，即使没有争用，也需要撤消（“撤销”）偏见，这是如此昂贵，以至于JVM努力避免它，即使这意味着有时会错过有偏见的锁定可能是一场净胜利的情况。

我也知道，有时JVM会决定执行“批量”重新偏置，并将某些类型的所有锁定迁移到不同的线程。这个问题与此无关。出于这个问题的目的，假设我只有两个线程和一个锁。 （真实的情况更复杂，涉及到线程池，但是现在让我们忽略它。真的，假装我没有提到它。）进一步假设线程A运行无限循环，就像“睡了几秒钟” ，在锁定下增加整数，重复“。 （这不是那么无用，但这应该足以说明问题。）同时，线程B运行类似的循环，但睡眠时间是几个小时而不是几秒钟。进一步假设调度程序是神奇的，并保证永远不会有任何争用。 （先发制人的挑剔：如果这是真的，我们可能只是一个不稳定。这只是一个例子。在这里和我一起工作。）这个假设是不现实的，但我试图一次只担心一件事。

现在，假设我们关心线程A唤醒和成功递增其整数之间的平均延迟。据我所知，JVM最初将锁定偏向A，然后在线程B第一次醒来时撤销偏差。

我的问题是：JVM是否会意识到它的初始猜测基本上是正确的，因此再次将锁重新偏向线程A？

Answer 1

理论上它是可能的，但需要一些额外的条件和特殊的JVM设置。

理论

某些对象的偏向锁定显然是无利可图的，例如涉及两个或多个线程的生产者 - 消费者队列。这些对象必然具有锁争用。另一方面，在某些情况下，将一组对象重新绑定到另一个线程的能力是有利可图的，特别是当一个线程分配许多对象并对每个对象执行初始同步操作，但另一个线程对它们执行后续工作时，基于弹簧的应用示例。

JVM尝试同时涵盖两个用例并支持rebaising和revocation。请参阅Eliminating Synchronization-Related Atomic Operations with Biased Locking and Bulk Rebiasing中的详细说明

换句话说，你的理解：

据我所知，JVM最初将锁定偏向A，然后在线程B第一次醒来时撤销偏差。

并非总是如此，即JVM足够智能以检测无竞争同步并将锁定重新绑定到另一个线程。

以下是一些实施说明：

• HotSpot仅支持批量重新分配以分摊每个对象偏差撤销的成本，同时保留优化的好处。
• 批量重新绑定和批量撤消共享一个安全点/操作名称 - RevokeBias。这非常令人困惑，需要进一步调查。
• 当且仅当撤销的数量超过BiasedLockingBulkRebiasThreshold且小于BiasedLockingBulkRevokeThreshold并且最新撤销不晚于BiasedLockingDecayTime时，后续批量rebias是可能的，其中所有转义变量都是JVM属性。请仔细阅读this code。
• 您可以使用属性-XX:+PrintSafepointStatistics跟踪安全点事件。最有趣的是EnableBiasedLocking，RevokeBias和BulkRevokeBias
• -XX:+TraceBiasedLocking生成一个有趣的日志，其中详细描述了JVM决策。

实践

这是我的重现器，其中一个线程（实际上是主线程）分配监视器对象并对其执行初始同步操作，然后另一个线程执行后续工作：

package samples;

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

import static java.lang.System.out;

public class BiasLocking {

    private static final Unsafe U;
    private static final long OFFSET = 0L;

    static {

        try {
            Field unsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            unsafe.setAccessible(true);
            U = (Unsafe) unsafe.get(null);
        } catch (Exception e) {
            throw new IllegalStateException(e);
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws Exception {

        ExecutorService thread = Executors.newSingleThreadExecutor();

        for (int i = 0; i < 15; i++) {
            final Monitor a = new Monitor();
            synchronized (a) {
                out.println("Main thread \t\t" + printHeader(a));
            }

            thread.submit(new Callable<Object>() {
                @Override
                public Object call() throws Exception {
                    synchronized (a) {
                        out.println("Work thread \t\t" + printHeader(a));
                    }
                    return null;
                }
            }).get();
        }

        thread.shutdown();
    }

    private static String printHeader(Object a) {
        int word = U.getInt(a, OFFSET);
        return Integer.toHexString(word);
    }

    private static class Monitor {
        // mutex object
    }

}

为了重现我的结果，请使用以下JVM参数：

• -XX：+ UseBiasedLocking - 默认情况下不需要使用
• -XX：BiasedLockingStartupDelay = 0 - 默认情况下有4s的延迟
• -XX：+ PrintSafepointStatistics -XX：PrintSafepointStatisticsCount = 1 - 启用安全点日志
• -XX：+ TraceBiasedLocking - 非常有用的日志
• -XX：BiasedLockingBulkRebiasThreshold = 1 - 减少我示例中的迭代次数

在测试过程中，JVM决定重新监视监视器而不是撤销

Main thread         0x7f5af4008805  <-- this is object's header word contains thread id 
* Beginning bulk revocation (kind == rebias) because of object 0x00000000d75631d0 , mark 0x00007f5af4008805 , type samples.BiasLocking$Monitor
* Ending bulk revocation
  Rebiased object toward thread 0x00007f5af415d800
         vmop                    [threads: total initially_running wait_to_block]    [time: spin block sync cleanup vmop] page_trap_count
0.316: BulkRevokeBias                   [      10          0              0    ]      [     0     0     0     0     0    ]  0 
Work thread         0x7f5af415d905  <-- this is object's header word contains thread id => biased

下一步是将锁定重新绑定到主线程。这部分是最难的部分，因为我们必须击中以下heuristics：

  Klass* k = o->klass();
  jlong cur_time = os::javaTimeMillis();
  jlong last_bulk_revocation_time = k->last_biased_lock_bulk_revocation_time();
  int revocation_count = k->biased_lock_revocation_count();
  if ((revocation_count >= BiasedLockingBulkRebiasThreshold) &&
      (revocation_count <  BiasedLockingBulkRevokeThreshold) &&
      (last_bulk_revocation_time != 0) &&
      (cur_time - last_bulk_revocation_time >= BiasedLockingDecayTime)) {
    // This is the first revocation we've seen in a while of an
    // object of this type since the last time we performed a bulk
    // rebiasing operation. The application is allocating objects in
    // bulk which are biased toward a thread and then handing them
    // off to another thread. We can cope with this allocation
    // pattern via the bulk rebiasing mechanism so we reset the
    // klass's revocation count rather than allow it to increase
    // monotonically. If we see the need to perform another bulk
    // rebias operation later, we will, and if subsequently we see
    // many more revocation operations in a short period of time we
    // will completely disable biasing for this type.
    k->set_biased_lock_revocation_count(0);
    revocation_count = 0;
  }

您可以使用JVM参数和我的示例来实现此启发式算法，但请记住，这非常困难，有时需要进行JVM调试。