面試題深入解析：Synchronized底層實(shí)現(xiàn)

本文為synchronized系列第二篇。主要內(nèi)容為分析偏向鎖的實(shí)現(xiàn)。

偏向鎖的誕生背景和基本原理在上文中已經(jīng)講過了，強(qiáng)烈建議在有看過上篇文章的基礎(chǔ)下閱讀本文。

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本文將分為幾塊內(nèi)容：

1.偏向鎖的入口

2.偏向鎖的獲取流程

3.偏向鎖的撤銷流程

4.偏向鎖的釋放流程

5.偏向鎖的批量重偏向和批量撤銷

本文分析的JVM版本是JVM8，具體版本號(hào)以及代碼可以在這里看到。

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偏向鎖入口

目前網(wǎng)上的很多文章，關(guān)于偏向鎖源碼入口都找錯(cuò)地方了，導(dǎo)致我之前對(duì)于偏向鎖的很多邏輯一直想不通，走了很多彎路。

synchronized分為synchronized代碼塊和synchronized方法，其底層獲取鎖的邏輯都是一樣的，本文講解的是synchronized代碼塊的實(shí)現(xiàn)。上篇文章也說過，synchronized代碼塊是由monitorenter和monitorexit兩個(gè)指令實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)于HotSpot虛擬機(jī)中獲取鎖的入口，網(wǎng)上很多文章要么給出的方法入口為interpreterRuntime.cpp#monitorenter，要么給出的入口為bytecodeInterpreter.cpp#1816。包括占小狼的這篇文章關(guān)于鎖入口的位置說法也是有問題的（當(dāng)然文章還是很好的，在我剛開始研究synchronized的時(shí)候，小狼哥的這篇文章給了我很多幫助）。

要找鎖的入口，肯定是要在源碼中找到對(duì)monitorenter指令解析的地方。在HotSpot的中有兩處地方對(duì)monitorenter指令進(jìn)行解析：一個(gè)是在bytecodeInterpreter.cpp#1816?，另一個(gè)是在templateTable_x86_64.cpp#3667。

前者是JVM中的字節(jié)碼解釋器(bytecodeInterpreter)，用C++實(shí)現(xiàn)了每條JVM指令（如monitorenter、invokevirtual等），其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡單且容易理解，缺點(diǎn)是執(zhí)行慢。后者是模板解釋器(templateInterpreter)，其對(duì)每個(gè)指令都寫了一段對(duì)應(yīng)的匯編代碼，啟動(dòng)時(shí)將每個(gè)指令與對(duì)應(yīng)匯編代碼入口綁定，可以說是效率做到了極致。模板解釋器的實(shí)現(xiàn)可以看這篇文章，在研究的過程中也請(qǐng)教過文章作者‘汪先生’一些問題，這里感謝一下。

在HotSpot中，只用到了模板解釋器，字節(jié)碼解釋器根本就沒用到，R大的讀書筆記中說的很清楚了，大家可以看看，這里不再贅述。

所以montorenter的解析入口在模板解釋器中，其代碼位于templateTable_x86_64.cpp#3667。通過調(diào)用路徑：templateTable_x86_64#monitorenter->interp_masm_x86_64#lock_object進(jìn)入到偏向鎖入口macroAssembler_x86#biased_locking_enter，在這里大家可以看到會(huì)生成對(duì)應(yīng)的匯編代碼。需要注意的是，不是說每次解析monitorenter指令都會(huì)調(diào)用biased_locking_enter,而是只會(huì)在JVM啟動(dòng)的時(shí)候調(diào)用該方法生成匯編代碼，之后對(duì)指令的解析是通過直接執(zhí)行匯編代碼。

其實(shí)bytecodeInterpreter的邏輯和templateInterpreter的邏輯是大同小異的，因?yàn)?code >templateInterpreter中都是匯編代碼，比較晦澀，所以看bytecodeInterpreter的實(shí)現(xiàn)會(huì)便于理解一點(diǎn)。但這里有個(gè)坑，在jdk8u之前，bytecodeInterpreter并沒有實(shí)現(xiàn)偏向鎖的邏輯。我之前看的JDK8-87ee5ee27509這個(gè)版本就沒有實(shí)現(xiàn)偏向鎖的邏輯，導(dǎo)致我看了很久都沒看懂。在這個(gè)commit中對(duì)bytecodeInterpreter加入了偏向鎖的支持，我大致了看了下和templateInterpreter對(duì)比除了棧結(jié)構(gòu)不同外，其他邏輯大致相同，所以下文就按bytecodeInterpreter中的代碼對(duì)偏向鎖邏輯進(jìn)行講解。templateInterpreter的匯編代碼講解可以看這篇文章，其實(shí)匯編源碼中都有英文注釋，了解了匯編幾個(gè)基本指令的作用再結(jié)合注釋理解起來也不是很難。

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偏向鎖獲取流程

下面開始偏向鎖獲取流程分析，代碼在bytecodeInterpreter.cpp#1816。注意本文代碼都有所刪減。

CASE(_monitorenter):?{
??//?lockee?就是鎖對(duì)象
??oop?lockee?=?STACK_OBJECT(-1);
??//?derefing's?lockee?ought?to?provoke?implicit?null?check
??CHECK_NULL(lockee);
??//?code?1：找到一個(gè)空閑的Lock?Record
??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++;
??}
??//entry不為null，代表還有空閑的Lock?Record
??if?(entry?!=?NULL)?{
????//?code?2：將Lock?Record的obj指針指向鎖對(duì)象
????entry->set_obj(lockee);
????int?success?=?false;
????uintptr_t?epoch_mask_in_place?=?(uintptr_t)markOopDesc::epoch_mask_in_place;
	//?markoop即對(duì)象頭的mark?word
????markOop?mark?=?lockee->mark();
????intptr_t?hash?=?(intptr_t)?markOopDesc::no_hash;
????//?code?3：如果鎖對(duì)象的mark?word的狀態(tài)是偏向模式
????if?(mark->has_bias_pattern())?{
??????uintptr_t?thread_ident;
??????uintptr_t?anticipated_bias_locking_value;
??????thread_ident?=?(uintptr_t)istate->thread();
?????//?code?4：這里有幾步操作，下文分析
??????anticipated_bias_locking_value?=
????????(((uintptr_t)lockee->klass()->prototype_header()?|?thread_ident)?^?(uintptr_t)mark)?&
????????~((uintptr_t)?markOopDesc::age_mask_in_place);
	?//?code?5：如果偏向的線程是自己且epoch等于class的epoch
??????if??(anticipated_bias_locking_value?==?0)?{
????????//?already?biased?towards?this?thread,?nothing?to?do
????????if?(PrintBiasedLockingStatistics)?{
??????????(*?BiasedLocking::biased_lock_entry_count_addr())++;
????????}
????????success?=?true;
??????}
???????//?code?6：如果偏向模式關(guān)閉，則嘗試撤銷偏向鎖
??????else?if?((anticipated_bias_locking_value?&?markOopDesc::biased_lock_mask_in_place)?!=?0)?{
????????markOop?header?=?lockee->klass()->prototype_header();
????????if?(hash?!=?markOopDesc::no_hash)?{
??????????header?=?header->copy_set_hash(hash);
????????}
????????//?利用CAS操作將mark?word替換為class中的mark?word
????????if?(Atomic::cmpxchg_ptr(header,?lockee->mark_addr(),?mark)?==?mark)?{
??????????if?(PrintBiasedLockingStatistics)
????????????(*BiasedLocking::revoked_lock_entry_count_addr())++;
????????}
??????}
?????????//?code?7：如果epoch不等于class中的epoch，則嘗試重偏向
??????else?if?((anticipated_bias_locking_value?&?epoch_mask_in_place)?!=0)?{
????????//?構(gòu)造一個(gè)偏向當(dāng)前線程的mark?word
????????markOop?new_header?=?(markOop)?(?(intptr_t)?lockee->klass()->prototype_header()?|?thread_ident);
????????if?(hash?!=?markOopDesc::no_hash)?{
??????????new_header?=?new_header->copy_set_hash(hash);
????????}
????????//?CAS替換對(duì)象頭的mark?word??
????????if?(Atomic::cmpxchg_ptr((void*)new_header,?lockee->mark_addr(),?mark)?==?mark)?{
??????????if?(PrintBiasedLockingStatistics)
????????????(*?BiasedLocking::rebiased_lock_entry_count_addr())++;
????????}
????????else?{
??????????//?重偏向失敗，代表存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，則調(diào)用monitorenter方法進(jìn)行鎖升級(jí)
??????????CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD,?entry),?handle_exception);
????????}
????????success?=?true;
??????}
??????else?{
?????????//?走到這里說明當(dāng)前要么偏向別的線程，要么是匿名偏向（即沒有偏向任何線程）
???????	//?code?8：下面構(gòu)建一個(gè)匿名偏向的mark?word，嘗試用CAS指令替換掉鎖對(duì)象的mark?word
????????markOop?header?=?(markOop)?((uintptr_t)?mark?&?((uintptr_t)markOopDesc::biased_lock_mask_in_place?|(uintptr_t)markOopDesc::age_mask_in_place?|epoch_mask_in_place));
????????if?(hash?!=?markOopDesc::no_hash)?{
??????????header?=?header->copy_set_hash(hash);
????????}
????????markOop?new_header?=?(markOop)?((uintptr_t)?header?|?thread_ident);
????????//?debugging?hint
????????DEBUG_ONLY(entry->lock()->set_displaced_header((markOop)?(uintptr_t)?0xdeaddead);)
????????if?(Atomic::cmpxchg_ptr((void*)new_header,?lockee->mark_addr(),?header)?==?header)?{
???????????//?CAS修改成功
??????????if?(PrintBiasedLockingStatistics)
????????????(*?BiasedLocking::anonymously_biased_lock_entry_count_addr())++;
????????}
????????else?{
??????????//?如果修改失敗說明存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，所以進(jìn)入monitorenter方法
??????????CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD,?entry),?handle_exception);
????????}
????????success?=?true;
??????}
????}

????//?如果偏向線程不是當(dāng)前線程或沒有開啟偏向模式等原因都會(huì)導(dǎo)致success==false
????if?(!success)?{
??????//?輕量級(jí)鎖的邏輯
??????//code?9:?構(gòu)造一個(gè)無鎖狀態(tài)的Displaced?Mark?Word，并將Lock?Record的lock指向它
??????markOop?displaced?=?lockee->mark()->set_unlocked();
??????entry->lock()->set_displaced_header(displaced);
??????//如果指定了-XX:+UseHeavyMonitors，則call_vm=true，代表禁用偏向鎖和輕量級(jí)鎖
??????bool?call_vm?=?UseHeavyMonitors;
??????//?利用CAS將對(duì)象頭的mark?word替換為指向Lock?Record的指針
??????if?(call_vm?||?Atomic::cmpxchg_ptr(entry,?lockee->mark_addr(),?displaced)?!=?displaced)?{
????????//?判斷是不是鎖重入
????????if?(!call_vm?&&?THREAD->is_lock_owned((address)?displaced->clear_lock_bits()))?{		//code?10:?如果是鎖重入，則直接將Displaced?Mark?Word設(shè)置為null
??????????entry->lock()->set_displaced_header(NULL);
????????}?else?{
??????????CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorenter(THREAD,?entry),?handle_exception);
????????}
??????}
????}
????UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(1,?-1);
??}?else?{
????//?lock?record不夠，重新執(zhí)行
????istate->set_msg(more_monitors);
????UPDATE_PC_AND_RETURN(0);?//?Re-execute
??}
}

再回顧下對(duì)象頭中mark word的格式：

JVM中的每個(gè)類也有一個(gè)類似mark word的prototype_header，用來標(biāo)記該class的epoch和偏向開關(guān)等信息。上面的代碼中lockee->klass()->prototype_header()即獲取class的prototype_header。

code 1，從當(dāng)前線程的棧中找到一個(gè)空閑的Lock Record（即代碼中的BasicObjectLock，下文都用Lock Record代指），判斷Lock Record是否空閑的依據(jù)是其obj字段 是否為null。注意這里是按內(nèi)存地址從低往高找到最后一個(gè)可用的Lock Record，換而言之，就是找到內(nèi)存地址最高的可用Lock Record。

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code 2，獲取到Lock Record后，首先要做的就是為其obj字段賦值。

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code 3，判斷鎖對(duì)象的mark word是否是偏向模式，即低3位是否為101。

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code 4，這里有幾步位運(yùn)算的操作?anticipated_bias_locking_value = (((uintptr_t)lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident) ^ (uintptr_t)mark) & ?~((uintptr_t) markOopDesc::age_mask_in_place);?這個(gè)位運(yùn)算可以分為3個(gè)部分。

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第一部分((uintptr_t)lockee->klass()->prototype_header() | thread_ident)?將當(dāng)前線程id和類的prototype_header相或，這樣得到的值為（當(dāng)前線程id + prototype_header中的（epoch + 分代年齡 + 偏向鎖標(biāo)志 + 鎖標(biāo)志位）），注意prototype_header的分代年齡那4個(gè)字節(jié)為0

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第二部分?^ (uintptr_t)mark?將上面計(jì)算得到的結(jié)果與鎖對(duì)象的markOop進(jìn)行異或，相等的位全部被置為0，只剩下不相等的位。

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第三部分?& ~((uintptr_t) markOopDesc::age_mask_in_place)?markOopDesc::age_mask_in_place為…0001111000,取反后，變成了…1110000111,除了分代年齡那4位，其他位全為1；將取反后的結(jié)果再與上面的結(jié)果相與，將上面異或得到的結(jié)果中分代年齡給忽略掉。

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code 5，anticipated_bias_locking_value==0代表偏向的線程是當(dāng)前線程且mark word的epoch等于class的epoch，這種情況下什么都不用做。

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code 6，(anticipated_bias_locking_value & markOopDesc::biased_lock_mask_in_place) != 0代表class的prototype_header或?qū)ο蟮?code >mark word中偏向模式是關(guān)閉的，又因?yàn)槟茏叩竭@已經(jīng)通過了mark->has_bias_pattern()判斷，即對(duì)象的mark word中偏向模式是開啟的，那也就是說class的prototype_header不是偏向模式。

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然后利用CAS指令Atomic::cmpxchg_ptr(header, lockee->mark_addr(), mark) == mark撤銷偏向鎖，我們知道CAS會(huì)有幾個(gè)參數(shù)，1是預(yù)期的原值，2是預(yù)期修改后的值 ，3是要修改的對(duì)象，與之對(duì)應(yīng)，cmpxchg_ptr方法第一個(gè)參數(shù)是預(yù)期修改后的值，第2個(gè)參數(shù)是修改的對(duì)象，第3個(gè)參數(shù)是預(yù)期原值，方法返回實(shí)際原值，如果等于預(yù)期原值則說明修改成功。

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code 7，如果epoch已過期，則需要重偏向，利用CAS指令將鎖對(duì)象的mark word替換為一個(gè)偏向當(dāng)前線程且epoch為類的epoch的新的mark word。

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code 8，CAS將偏向線程改為當(dāng)前線程，如果當(dāng)前是匿名偏向則能修改成功，否則進(jìn)入鎖升級(jí)的邏輯。

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code 9，這一步已經(jīng)是輕量級(jí)鎖的邏輯了。從上圖的mark word的格式可以看到，輕量級(jí)鎖中mark word存的是指向Lock Record的指針。這里構(gòu)造一個(gè)無鎖狀態(tài)的mark word，然后存儲(chǔ)到Lock Record（Lock Record的格式可以看第一篇文章）。設(shè)置mark word是無鎖狀態(tài)的原因是：輕量級(jí)鎖解鎖時(shí)是將對(duì)象頭的mark word設(shè)置為Lock Record中的Displaced Mark Word，所以創(chuàng)建時(shí)設(shè)置為無鎖狀態(tài)，解鎖時(shí)直接用CAS替換就好了。

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code 10， 如果是鎖重入，則將Lock Record的Displaced Mark Word設(shè)置為null，起到一個(gè)鎖重入計(jì)數(shù)的作用。

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以上是偏向鎖加鎖的流程（包括部分輕量級(jí)鎖的加鎖流程），如果當(dāng)前鎖已偏向其他線程||epoch值過期||偏向模式關(guān)閉||獲取偏向鎖的過程中存在并發(fā)沖突，都會(huì)進(jìn)入到InterpreterRuntime::monitorenter方法， 在該方法中會(huì)對(duì)偏向鎖撤銷和升級(jí)。

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偏向鎖的撤銷

這里說的撤銷是指在獲取偏向鎖的過程因?yàn)椴粷M足條件導(dǎo)致要將鎖對(duì)象改為非偏向鎖狀態(tài)；釋放是指退出同步塊時(shí)的過程，釋放鎖的邏輯會(huì)在下一小節(jié)闡述。請(qǐng)讀者注意本文中撤銷與釋放的區(qū)別。

如果獲取偏向鎖失敗會(huì)進(jìn)入到InterpreterRuntime::monitorenter方法

IRT_ENTRY_NO_ASYNC(void,?InterpreterRuntime::monitorenter(JavaThread*?thread,?BasicObjectLock*?elem))
??...
??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);
??}
??...
IRT_END

可以看到如果開啟了JVM偏向鎖，那會(huì)進(jìn)入到ObjectSynchronizer::fast_enter方法中。

void?ObjectSynchronizer::fast_enter(Handle?obj,?BasicLock*?lock,?bool?attempt_rebias,?TRAPS)?{
?if?(UseBiasedLocking)?{
????if?(!SafepointSynchronize::is_at_safepoint())?{
??????BiasedLocking::Condition?cond?=?BiasedLocking::revoke_and_rebias(obj,?attempt_rebias,?THREAD);
??????if?(cond?==?BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED)?{
????????return;
??????}
????}?else?{
??????assert(!attempt_rebias,?"can?not?rebias?toward?VM?thread");
??????BiasedLocking::revoke_at_safepoint(obj);
????}
????assert(!obj->mark()->has_bias_pattern(),?"biases?should?be?revoked?by?now");
?}

?slow_enter?(obj,?lock,?THREAD)?;
}

如果是正常的Java線程，會(huì)走上面的邏輯進(jìn)入到BiasedLocking::revoke_and_rebias方法，如果是VM線程則會(huì)走到下面的BiasedLocking::revoke_at_safepoint。我們主要看BiasedLocking::revoke_and_rebias方法。這個(gè)方法的主要作用像它的方法名：撤銷或者重偏向，第一個(gè)參數(shù)封裝了鎖對(duì)象和當(dāng)前線程，第二個(gè)參數(shù)代表是否允許重偏向，這里是true。

BiasedLocking::Condition?BiasedLocking::revoke_and_rebias(Handle?obj,?bool?attempt_rebias,?TRAPS)?{
??assert(!SafepointSynchronize::is_at_safepoint(),?"must?not?be?called?while?at?safepoint");
????
??markOop?mark?=?obj->mark();
??if?(mark->is_biased_anonymously()?&&?!attempt_rebias)?{
?????//如果是匿名偏向且attempt_rebias==false會(huì)走到這里，如鎖對(duì)象的hashcode方法被調(diào)用會(huì)出現(xiàn)這種情況，需要撤銷偏向鎖。
????markOop?biased_value???????=?mark;
????markOop?unbiased_prototype?=?markOopDesc::prototype()->set_age(mark->age());
????markOop?res_mark?=?(markOop)?Atomic::cmpxchg_ptr(unbiased_prototype,?obj->mark_addr(),?mark);
????if?(res_mark?==?biased_value)?{
??????return?BIAS_REVOKED;
????}
??}?else?if?(mark->has_bias_pattern())?{
????//?鎖對(duì)象開啟了偏向模式會(huì)走到這里
????Klass*?k?=?obj->klass();
????markOop?prototype_header?=?k->prototype_header();
????//code?1：?如果對(duì)應(yīng)class關(guān)閉了偏向模式
????if?(!prototype_header->has_bias_pattern())?{
??????markOop?biased_value???????=?mark;
??????markOop?res_mark?=?(markOop)?Atomic::cmpxchg_ptr(prototype_header,?obj->mark_addr(),?mark);
??????assert(!(*(obj->mark_addr()))->has_bias_pattern(),?"even?if?we?raced,?should?still?be?revoked");
??????return?BIAS_REVOKED;
????//code2：?如果epoch過期
????}?else?if?(prototype_header->bias_epoch()?!=?mark->bias_epoch())?{
??????if?(attempt_rebias)?{
????????assert(THREAD->is_Java_thread(),?"");
????????markOop?biased_value???????=?mark;
????????markOop?rebiased_prototype?=?markOopDesc::encode((JavaThread*)?THREAD,?mark->age(),?prototype_header->bias_epoch());
????????markOop?res_mark?=?(markOop)?Atomic::cmpxchg_ptr(rebiased_prototype,?obj->mark_addr(),?mark);
????????if?(res_mark?==?biased_value)?{
??????????return?BIAS_REVOKED_AND_REBIASED;
????????}
??????}?else?{
????????markOop?biased_value???????=?mark;
????????markOop?unbiased_prototype?=?markOopDesc::prototype()->set_age(mark->age());
????????markOop?res_mark?=?(markOop)?Atomic::cmpxchg_ptr(unbiased_prototype,?obj->mark_addr(),?mark);
????????if?(res_mark?==?biased_value)?{
??????????return?BIAS_REVOKED;
????????}
??????}
????}
??}
??//code?3：批量重偏向與批量撤銷的邏輯
??HeuristicsResult?heuristics?=?update_heuristics(obj(),?attempt_rebias);
??if?(heuristics?==?HR_NOT_BIASED)?{
????return?NOT_BIASED;
??}?else?if?(heuristics?==?HR_SINGLE_REVOKE)?{
????//code?4：撤銷單個(gè)線程
????Klass?*k?=?obj->klass();
????markOop?prototype_header?=?k->prototype_header();
????if?(mark->biased_locker()?==?THREAD?&&
????????prototype_header->bias_epoch()?==?mark->bias_epoch())?{
??????//?走到這里說明需要撤銷的是偏向當(dāng)前線程的鎖，當(dāng)調(diào)用Object#hashcode方法時(shí)會(huì)走到這一步
??????//?因?yàn)橹灰闅v當(dāng)前線程的棧就好了，所以不需要等到safepoint再撤銷。
??????ResourceMark?rm;
??????if?(TraceBiasedLocking)?{
????????tty->print_cr("Revoking?bias?by?walking?my?own?stack:");
??????}
??????BiasedLocking::Condition?cond?=?revoke_bias(obj(),?false,?false,?(JavaThread*)?THREAD);
??????((JavaThread*)?THREAD)->set_cached_monitor_info(NULL);
??????assert(cond?==?BIAS_REVOKED,?"why?not?");
??????return?cond;
????}?else?{
??????//?下面代碼最終會(huì)在VM線程中的safepoint調(diào)用revoke_bias方法
??????VM_RevokeBias?revoke(&obj,?(JavaThread*)?THREAD);
??????VMThread::execute(&revoke);
??????return?revoke.status_code();
????}
??}
	
??assert((heuristics?==?HR_BULK_REVOKE)?||
?????????(heuristics?==?HR_BULK_REBIAS),?"?");
???//code5：批量撤銷、批量重偏向的邏輯
??VM_BulkRevokeBias?bulk_revoke(&obj,?(JavaThread*)?THREAD,
????????????????????????????????(heuristics?==?HR_BULK_REBIAS),
????????????????????????????????attempt_rebias);
??VMThread::execute(&bulk_revoke);
??return?bulk_revoke.status_code();
}

會(huì)走到該方法的邏輯有很多，我們只分析最常見的情況：假設(shè)鎖已經(jīng)偏向線程A，這時(shí)B線程嘗試獲得鎖。

上面的code 1，code 2B線程都不會(huì)走到，最終會(huì)走到code 4處，如果要撤銷的鎖偏向的是當(dāng)前線程則直接調(diào)用revoke_bias撤銷偏向鎖，否則會(huì)將該操作push到VM Thread中等到safepoint的時(shí)候再執(zhí)行。

關(guān)于VM Thread這里介紹下：在JVM中有個(gè)專門的VM Thread，該線程會(huì)源源不斷的從VMOperationQueue中取出請(qǐng)求，比如GC請(qǐng)求。對(duì)于需要safepoint的操作（VM_Operationevaluate_at_safepoint返回true）必須要等到所有的Java線程進(jìn)入到safepoint才開始執(zhí)行。

接下來我們著重分析下revoke_bias方法。第一個(gè)參數(shù)為鎖對(duì)象，第2、3個(gè)參數(shù)為都為false

static?BiasedLocking::Condition?revoke_bias(oop?obj,?bool?allow_rebias,?bool?is_bulk,?JavaThread*?requesting_thread)?{
??markOop?mark?=?obj->mark();
??//?如果沒有開啟偏向模式，則直接返回NOT_BIASED
??if?(!mark->has_bias_pattern())?{
????...
????return?BiasedLocking::NOT_BIASED;
??}

??uint?age?=?mark->age();
??//?構(gòu)建兩個(gè)mark?word，一個(gè)是匿名偏向模式（101），一個(gè)是無鎖模式（001）
??markOop???biased_prototype?=?markOopDesc::biased_locking_prototype()->set_age(age);
??markOop?unbiased_prototype?=?markOopDesc::prototype()->set_age(age);

??...

??JavaThread*?biased_thread?=?mark->biased_locker();
??if?(biased_thread?==?NULL)?{
?????//?匿名偏向。當(dāng)調(diào)用鎖對(duì)象的hashcode()方法可能會(huì)導(dǎo)致走到這個(gè)邏輯
?????//?如果不允許重偏向，則將對(duì)象的mark?word設(shè)置為無鎖模式
????if?(!allow_rebias)?{
??????obj->set_mark(unbiased_prototype);
????}
????...
????return?BiasedLocking::BIAS_REVOKED;
??}

??//?code?1：判斷偏向線程是否還存活
??bool?thread_is_alive?=?false;
??//?如果當(dāng)前線程就是偏向線程?
??if?(requesting_thread?==?biased_thread)?{
????thread_is_alive?=?true;
??}?else?{
?????//?遍歷當(dāng)前jvm的所有線程，如果能找到，則說明偏向的線程還存活
????for?(JavaThread*?cur_thread?=?Threads::first();?cur_thread?!=?NULL;?cur_thread?=?cur_thread->next())?{
??????if?(cur_thread?==?biased_thread)?{
????????thread_is_alive?=?true;
????????break;
??????}
????}
??}
??//?如果偏向的線程已經(jīng)不存活了
??if?(!thread_is_alive)?{
????//?允許重偏向則將對(duì)象mark?word設(shè)置為匿名偏向狀態(tài)，否則設(shè)置為無鎖狀態(tài)
????if?(allow_rebias)?{
??????obj->set_mark(biased_prototype);
????}?else?{
??????obj->set_mark(unbiased_prototype);
????}
????...
????return?BiasedLocking::BIAS_REVOKED;
??}

??//?線程還存活則遍歷線程棧中所有的Lock?Record
??GrowableArray<MonitorInfo*>*?cached_monitor_info?=?get_or_compute_monitor_info(biased_thread);
??BasicLock*?highest_lock?=?NULL;
??for?(int?i?=?0;?i?<?cached_monitor_info->length();?i++)?{
????MonitorInfo*?mon_info?=?cached_monitor_info->at(i);
????//?如果能找到對(duì)應(yīng)的Lock?Record說明偏向的線程還在執(zhí)行同步代碼塊中的代碼
????if?(mon_info->owner()?==?obj)?{
??????...
??????//?需要升級(jí)為輕量級(jí)鎖，直接修改偏向線程棧中的Lock?Record。為了處理鎖重入的case，在這里將Lock?Record的Displaced?Mark?Word設(shè)置為null，第一個(gè)Lock?Record會(huì)在下面的代碼中再處理
??????markOop?mark?=?markOopDesc::encode((BasicLock*)?NULL);
??????highest_lock?=?mon_info->lock();
??????highest_lock->set_displaced_header(mark);
????}?else?{
??????...
????}
??}
??if?(highest_lock?!=?NULL)?{
????//?修改第一個(gè)Lock?Record為無鎖狀態(tài)，然后將obj的mark?word設(shè)置為指向該Lock?Record的指針
????highest_lock->set_displaced_header(unbiased_prototype);
????obj->release_set_mark(markOopDesc::encode(highest_lock));
????...
??}?else?{
????//?走到這里說明偏向線程已經(jīng)不在同步塊中了
????...
????if?(allow_rebias)?{
???????//設(shè)置為匿名偏向狀態(tài)
??????obj->set_mark(biased_prototype);
????}?else?{
??????//?將mark?word設(shè)置為無鎖狀態(tài)
??????obj->set_mark(unbiased_prototype);
????}
??}

??return?BiasedLocking::BIAS_REVOKED;
}

需要注意下，當(dāng)調(diào)用鎖對(duì)象的Object#hash或System.identityHashCode()方法會(huì)導(dǎo)致該對(duì)象的偏向鎖或輕量級(jí)鎖升級(jí)。這是因?yàn)樵贘ava中一個(gè)對(duì)象的hashcode是在調(diào)用這兩個(gè)方法時(shí)才生成的，如果是無鎖狀態(tài)則存放在mark word中，如果是重量級(jí)鎖則存放在對(duì)應(yīng)的monitor中，而偏向鎖是沒有地方能存放該信息的，所以必須升級(jí)。

言歸正傳，revoke_bias方法邏輯：

1. 查看偏向的線程是否存活，如果已經(jīng)不存活了，則直接撤銷偏向鎖。JVM維護(hù)了一個(gè)集合存放所有存活的線程，通過遍歷該集合判斷某個(gè)線程是否存活。

2. 偏向的線程是否還在同步塊中，如果不在了，則撤銷偏向鎖。我們回顧一下偏向鎖的加鎖流程：每次進(jìn)入同步塊（即執(zhí)行monitorenter）的時(shí)候都會(huì)以從高往低的順序在棧中找到第一個(gè)可用的Lock Record，將其obj字段指向鎖對(duì)象。每次解鎖（即執(zhí)行monitorexit）的時(shí)候都會(huì)將最低的一個(gè)相關(guān)Lock Record移除掉。所以可以通過遍歷線程棧中的Lock Record來判斷線程是否還在同步塊中。

3. 將偏向線程所有相關(guān)Lock Record的Displaced Mark Word設(shè)置為null，然后將最高位的Lock Record的Displaced Mark Word?設(shè)置為無鎖狀態(tài)，最高位的Lock Record也就是第一次獲得鎖時(shí)的Lock Record（這里的第一次是指重入獲取鎖時(shí)的第一次），然后將對(duì)象頭指向最高位的Lock Record，這里不需要用CAS指令，因?yàn)槭窃?code >safepoint。 執(zhí)行完后，就升級(jí)成了輕量級(jí)鎖。原偏向線程的所有Lock Record都已經(jīng)變成輕量級(jí)鎖的狀態(tài)。這里如果看不明白，請(qǐng)回顧上篇文章的輕量級(jí)鎖加鎖過程。

?

偏向鎖的釋放

偏向鎖的釋放入口在bytecodeInterpreter.cpp#1923

CASE(_monitorexit):?{
??oop?lockee?=?STACK_OBJECT(-1);
??CHECK_NULL(lockee);
??//?derefing's?lockee?ought?to?provoke?implicit?null?check
??//?find?our?monitor?slot
??BasicObjectLock*?limit?=?istate->monitor_base();
??BasicObjectLock*?most_recent?=?(BasicObjectLock*)?istate->stack_base();
??//?從低往高遍歷棧的Lock?Record
??while?(most_recent?!=?limit?)?{
????//?如果Lock?Record關(guān)聯(lián)的是該鎖對(duì)象
????if?((most_recent)->obj()?==?lockee)?{
??????BasicLock*?lock?=?most_recent->lock();
??????markOop?header?=?lock->displaced_header();
??????//?釋放Lock?Record
??????most_recent->set_obj(NULL);
??????//?如果是偏向模式，僅僅釋放Lock?Record就好了。否則要走輕量級(jí)鎖or重量級(jí)鎖的釋放流程
??????if?(!lockee->mark()->has_bias_pattern())?{
????????bool?call_vm?=?UseHeavyMonitors;
????????//?header!=NULL說明不是重入，則需要將Displaced?Mark?Word?CAS到對(duì)象頭的Mark?Word
????????if?(header?!=?NULL?||?call_vm)?{
??????????if?(call_vm?||?Atomic::cmpxchg_ptr(header,?lockee->mark_addr(),?lock)?!=?lock)?{
????????????//?CAS失敗或者是重量級(jí)鎖則會(huì)走到這里，先將obj還原，然后調(diào)用monitorexit方法
????????????most_recent->set_obj(lockee);
????????????CALL_VM(InterpreterRuntime::monitorexit(THREAD,?most_recent),?handle_exception);
??????????}
????????}
??????}
??????//執(zhí)行下一條命令
??????UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(1,?-1);
????}
????//處理下一條Lock?Record
????most_recent++;
??}
??//?Need?to?throw?illegal?monitor?state?exception
??CALL_VM(InterpreterRuntime::throw_illegal_monitor_state_exception(THREAD),?handle_exception);
??ShouldNotReachHere();
}

上面的代碼結(jié)合注釋理解起來應(yīng)該不難，偏向鎖的釋放很簡單，只要將對(duì)應(yīng)Lock Record釋放就好了，而輕量級(jí)鎖則需要將Displaced Mark Word替換到對(duì)象頭的mark word中。如果CAS失敗或者是重量級(jí)鎖則進(jìn)入到InterpreterRuntime::monitorexit方法中。該方法會(huì)在輕量級(jí)與重量級(jí)鎖的文章中講解。

?

批量重偏向和批量撤銷

批量重偏向和批量撤銷的背景可以看上篇文章，相關(guān)實(shí)現(xiàn)在BiasedLocking::revoke_and_rebias中：

BiasedLocking::Condition?BiasedLocking::revoke_and_rebias(Handle?obj,?bool?attempt_rebias,?TRAPS)?{
??...
??//code?1：重偏向的邏輯
??HeuristicsResult?heuristics?=?update_heuristics(obj(),?attempt_rebias);
??//?非重偏向的邏輯
??...
??????
??assert((heuristics?==?HR_BULK_REVOKE)?||
?????????(heuristics?==?HR_BULK_REBIAS),?"?");	
???//code?2：批量撤銷、批量重偏向的邏輯
??VM_BulkRevokeBias?bulk_revoke(&obj,?(JavaThread*)?THREAD,
????????????????????????????????(heuristics?==?HR_BULK_REBIAS),
????????????????????????????????attempt_rebias);
??VMThread::execute(&bulk_revoke);
??return?bulk_revoke.status_code();
}

在每次撤銷偏向鎖的時(shí)候都通過update_heuristics方法記錄下來，以類為單位，當(dāng)某個(gè)類的對(duì)象撤銷偏向次數(shù)達(dá)到一定閾值的時(shí)候JVM就認(rèn)為該類不適合偏向模式或者需要重新偏向另一個(gè)對(duì)象，update_heuristics就會(huì)返回HR_BULK_REVOKE或HR_BULK_REBIAS。進(jìn)行批量撤銷或批量重偏向。

先看update_heuristics方法。

static?HeuristicsResult?update_heuristics(oop?o,?bool?allow_rebias)?{
??markOop?mark?=?o->mark();
??//如果不是偏向模式直接返回
??if?(!mark->has_bias_pattern())?{
????return?HR_NOT_BIASED;
??}
?
??//?鎖對(duì)象的類
??Klass*?k?=?o->klass();
??//?當(dāng)前時(shí)間
??jlong?cur_time?=?os::javaTimeMillis();
??//?該類上一次批量撤銷的時(shí)間
??jlong?last_bulk_revocation_time?=?k->last_biased_lock_bulk_revocation_time();
??//?該類偏向鎖撤銷的次數(shù)
??int?revocation_count?=?k->biased_lock_revocation_count();
??//?BiasedLockingBulkRebiasThreshold是重偏向閾值（默認(rèn)20），BiasedLockingBulkRevokeThreshold是批量撤銷閾值（默認(rèn)40），BiasedLockingDecayTime是開啟一次新的批量重偏向距離上次批量重偏向的后的延遲時(shí)間，默認(rèn)25000。也就是開啟批量重偏向后，經(jīng)過了一段較長的時(shí)間（>=BiasedLockingDecayTime），撤銷計(jì)數(shù)器才超過閾值，那我們會(huì)重置計(jì)數(shù)器。
??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;
??}

??//?自增撤銷計(jì)數(shù)器
??if?(revocation_count?<=?BiasedLockingBulkRevokeThreshold)?{
????revocation_count?=?k->atomic_incr_biased_lock_revocation_count();
??}
??//?如果達(dá)到批量撤銷閾值則返回HR_BULK_REVOKE
??if?(revocation_count?==?BiasedLockingBulkRevokeThreshold)?{
????return?HR_BULK_REVOKE;
??}
??//?如果達(dá)到批量重偏向閾值則返回HR_BULK_REBIAS
??if?(revocation_count?==?BiasedLockingBulkRebiasThreshold)?{
????return?HR_BULK_REBIAS;
??}
??//?沒有達(dá)到閾值則撤銷單個(gè)對(duì)象的鎖
??return?HR_SINGLE_REVOKE;
}

當(dāng)達(dá)到閾值的時(shí)候就會(huì)通過VM 線程在safepoint調(diào)用bulk_revoke_or_rebias_at_safepoint, 參數(shù)bulk_rebias如果是true代表是批量重偏向否則為批量撤銷。attempt_rebias_of_object代表對(duì)操作的鎖對(duì)象o是否運(yùn)行重偏向，這里是true。

static?BiasedLocking::Condition?bulk_revoke_or_rebias_at_safepoint(oop?o,
???????????????????????????????????????????????????????????????????bool?bulk_rebias,
???????????????????????????????????????????????????????????????????bool?attempt_rebias_of_object,
???????????????????????????????????????????????????????????????????JavaThread*?requesting_thread)?{
??...
??jlong?cur_time?=?os::javaTimeMillis();
??o->klass()->set_last_biased_lock_bulk_revocation_time(cur_time);


??Klass*?k_o?=?o->klass();
??Klass*?klass?=?k_o;

??if?(bulk_rebias)?{
????//?批量重偏向的邏輯
????if?(klass->prototype_header()->has_bias_pattern())?{
??????//?自增前類中的的epoch
??????int?prev_epoch?=?klass->prototype_header()->bias_epoch();
??????//?code?1：類中的epoch自增
??????klass->set_prototype_header(klass->prototype_header()->incr_bias_epoch());
??????int?cur_epoch?=?klass->prototype_header()->bias_epoch();

??????//?code?2：遍歷所有線程的棧，更新類型為該klass的所有鎖實(shí)例的epoch
??????for?(JavaThread*?thr?=?Threads::first();?thr?!=?NULL;?thr?=?thr->next())?{
????????GrowableArray<MonitorInfo*>*?cached_monitor_info?=?get_or_compute_monitor_info(thr);
????????for?(int?i?=?0;?i?<?cached_monitor_info->length();?i++)?{
??????????MonitorInfo*?mon_info?=?cached_monitor_info->at(i);
??????????oop?owner?=?mon_info->owner();
??????????markOop?mark?=?owner->mark();
??????????if?((owner->klass()?==?k_o)?&&?mark->has_bias_pattern())?{
????????????//?We?might?have?encountered?this?object?already?in?the?case?of?recursive?locking
????????????assert(mark->bias_epoch()?==?prev_epoch?||?mark->bias_epoch()?==?cur_epoch,?"error?in?bias?epoch?adjustment");
????????????owner->set_mark(mark->set_bias_epoch(cur_epoch));
??????????}
????????}
??????}
????}

????//?接下來對(duì)當(dāng)前鎖對(duì)象進(jìn)行重偏向
????revoke_bias(o,?attempt_rebias_of_object?&&?klass->prototype_header()->has_bias_pattern(),?true,?requesting_thread);
??}?else?{
????...

????//?code?3：批量撤銷的邏輯，將類中的偏向標(biāo)記關(guān)閉，markOopDesc::prototype()返回的是一個(gè)關(guān)閉偏向模式的prototype
????klass->set_prototype_header(markOopDesc::prototype());

????//?code?4：遍歷所有線程的棧，撤銷該類所有鎖的偏向
????for?(JavaThread*?thr?=?Threads::first();?thr?!=?NULL;?thr?=?thr->next())?{
??????GrowableArray<MonitorInfo*>*?cached_monitor_info?=?get_or_compute_monitor_info(thr);
??????for?(int?i?=?0;?i?<?cached_monitor_info->length();?i++)?{
????????MonitorInfo*?mon_info?=?cached_monitor_info->at(i);
????????oop?owner?=?mon_info->owner();
????????markOop?mark?=?owner->mark();
????????if?((owner->klass()?==?k_o)?&&?mark->has_bias_pattern())?{
??????????revoke_bias(owner,?false,?true,?requesting_thread);
????????}
??????}
????}

????//?撤銷當(dāng)前鎖對(duì)象的偏向模式
????revoke_bias(o,?false,?true,?requesting_thread);
??}

??...
??
??BiasedLocking::Condition?status_code?=?BiasedLocking::BIAS_REVOKED;

??if?(attempt_rebias_of_object?&&
??????o->mark()->has_bias_pattern()?&&
??????klass->prototype_header()->has_bias_pattern())?{
????//?構(gòu)造一個(gè)偏向請(qǐng)求線程的mark?word
????markOop?new_mark?=?markOopDesc::encode(requesting_thread,?o->mark()->age(),
???????????????????????????????????????????klass->prototype_header()->bias_epoch());
????//?更新當(dāng)前鎖對(duì)象的mark?word
????o->set_mark(new_mark);
????status_code?=?BiasedLocking::BIAS_REVOKED_AND_REBIASED;
????...
??}

??...

??return?status_code;
}

該方法分為兩個(gè)邏輯：批量重偏向和批量撤銷。

先看批量重偏向，分為兩步：

code 1?將類中的撤銷計(jì)數(shù)器自增1，之后當(dāng)該類已存在的實(shí)例獲得鎖時(shí)，就會(huì)嘗試重偏向，相關(guān)邏輯在偏向鎖獲取流程小節(jié)中。

code 2?處理當(dāng)前正在被使用的鎖對(duì)象，通過遍歷所有存活線程的棧，找到所有正在使用的偏向鎖對(duì)象，然后更新它們的epoch值。也就是說不會(huì)重偏向正在使用的鎖，否則會(huì)破壞鎖的線程安全性。

批量撤銷邏輯如下：

code 3將類的偏向標(biāo)記關(guān)閉，之后當(dāng)該類已存在的實(shí)例獲得鎖時(shí)，就會(huì)升級(jí)為輕量級(jí)鎖；該類新分配的對(duì)象的mark word則是無鎖模式。

code 4處理當(dāng)前正在被使用的鎖對(duì)象，通過遍歷所有存活線程的棧，找到所有正在使用的偏向鎖對(duì)象，然后撤銷偏向鎖。

?