深入理解 Java 锁与线程阻塞

相信大家对线程锁和线程阻塞都很了解，无非就是 synchronized, wait/notify 等, 但是你有仔细想过 Java 虚拟机是如何实现锁和阻塞的呢？它们之间又有哪些联系呢？如果感兴趣的话请接着往下看。

为保障多线程下处理共享数据的安全性，Java 语言给我们提供了线程锁，保证同一时刻只有一个线程能处理共享数据。当一个锁被某个线程持有的时候，另一个线程尝试去获取这个锁将产生线程阻塞，直到持有锁的线程释放了该锁。

除了抢占锁的时候会出现线程阻塞，另外还有一些方法也会产生线程阻塞，比如： Object.wait(), Thread.sleep(), ArrayBlockingQueue.put() 等等，他们都有一个共同特点：不消耗 CPU 时间片。另外值得指出的是 Object.wait() 会释放持有的锁，而 Thread.sleep() 不会，相信这点大家都清楚。 当然 while(true){ } 也能产生阻塞线程的效果，自旋锁就是使用循环，配合 CAS (compareAndSet) 实现的，这个不在我们的讨论之列。

相信大家对线程锁都很熟悉，目前有两种方法，准确来说是三种，synchronized 方法，synchronized 区块，ReentrantLock。先说 synchronized，代码如下：

public class Lock {
    public static void synchronized print() {
        System.out.println("method synchronized");
    }
    public static void print2() {
        synchronized(Lock.class) {
            System.out.println("synchronized");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Lock.print();
        Lock.print2();
    }
}

编译后通过如下命令查看其字节码

javap -c -v Lock

其中节选方法一（Lock.print）的字节码如下：

public static synchronized void print();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=2, locals=0, args_size=0
         0: getstatic     #2    // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3    // String method synchronized
         5: invokevirtual #4    // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
}

可以看到方法表的访问标志位 (flags) 中多了个 ACC_SYNCHRONIZED，然后看字节码指令区域 (Code) ，和普通方法没任何差别, 猜测 Java 虚拟机通过检查方法表中是否存在标志位 ACC_SYNCHRONIZED 来决定是否需要获取锁，至于获取锁的原理后文会提到。

然后看第二个使用 synchronized 区块的方法（Lock.print2）字节码：

public static void print2();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=0
         0: ldc #5    // 将锁对象 Lock.class 入栈
         2: dup // 复制一份，此时栈中有两个 Lock.class 
         3: astore_0 // 出栈一个 Lock.class 对象保存到局部变量表 Slot 1 中
         4: monitorenter // 以栈顶元素 Lock.class 作为锁，开始同步
         5: getstatic #2    // 5-10 调用 System.out.println("synchronized");
         8: ldc #6
        10: invokevirtual #4
        13: aload_0 // 将局部变量表 Slot 1 中的数据入栈，即 Lock.class
        14: monitorexit // 使用栈顶数据退出同步
        15: goto 23 // 方法结束，跳转到 23 返回
        18: astore_1 // 从这里开始是异常路径，将异常信息保存至局部变量表 Slot 2 中，查看异常表
        19: aload_0 // 将局部变量表 Slot 1 中的 Lock.class 入栈
        20: monitorexit // 使用栈顶数据退出同步
        21: aload_1 // 将局部变量表 Slot 2 中的异常信息入栈
        22: athrow // 把异常对象重新抛出给方法的调用者
        23: return // 方法正常返回
      Exception table: // 异常表
         from    to  target type
             5    15    18   any // 5-15 出现任何(any)异常跳转到 18 
            18    21    18   any // 18-21 出现任何(any)异常跳转到 18

synchronized 区块的字节码相比较 synchronized 方法复杂了许多。每一行字节码的含义我都作了详细注释，可以看到此时是通过字节码指令 monitorenter，monitorexit 来进入和退出同步的。特别值得注意的是，我们并没有写 try.catch 捕获异常，但是字节码指令中存在异常处理的代码，其实为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行，编译器会自动产生一个异常处理器，这个异常处理器声明可处理所有的异常，它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。这个机制确保在 synchronized 区块中产生任何异常都可以正常退出同步，释放锁资源。

不管是检查标志位中的 ACC_SYNCHRONIZED，还是字节码指令 monitorenter，monitorexit，锁机制的实现最终肯定存在于 JVM 中，后面我们会再提到这点。

接下来继续看 ReentrantLock 的实现，鉴于篇幅有限，ReentrantLock 的原理不会讲的很详细，感兴趣的可以自行研究。ReentrantLock 是基于并发基础组件 AbstractQueuedSynchronizer 实现的，内部有一个 int 类型的 state 变量来控制同步状态，为 0 时表示无线程占用锁资源，等于 1 时表示则说明有线程占用，由于 ReentrantLock 是可重入锁，state 也可能大于 1 表示该线程有多次获取锁。AQS 内部还有一个由内部类 Node 构成的队列用来完成线程获取锁的排队。本文只是简单的介绍一下 lock 和 unLock 方法。

下面先看 ReentrantLock.lock 方法：

// ReentrantLock.java
public void lock() {
    this.sync.lock();
}
// ReentrantLock.NonfairSync.class
final void lock() {
    // 使用 cas 设置 state，如果设置成功表示当前无其他线程竞争锁，优先获取锁资源
    if (this.compareAndSetState(0, 1)) {
        // 保存当前线程由于后续重入锁的判断
        this.setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
    } else {
        this.acquire(1);
    }
}
// AbstractQueuedSynchronizer.java
 public final void acquire(int arg) {
    if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
        selfInterrupt(); // 如果阻塞被中断，重新设置中断通知调用者
}
// 判断是否是重入
protected final boolean tryAcquire(int var1) {
    return this.nonfairTryAcquire(var1);
}
// 处理等待队列
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
    boolean failed = true;
    try {
        boolean interrupted = false;
        for (;;) {
            final Node p = node.predecessor();
            if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                setHead(node);
                p.next = null; // help GC
                failed = false;
                return interrupted;
            }
            if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                parkAndCheckInterrupt())
                interrupted = true;
        }
    } finally {
        if (failed)
            cancelAcquire(node);
    }
}
private final boolean parkAndCheckInterrupt() {
    LockSupport.park(this); // 阻塞线程
    return Thread.interrupted();
}

对于锁竞争的情况，最终会调用 LockSupport.park(this) 阻塞当前线程，同样的 ReentrantLock.unlock 方法会调用 LockSupport.unpark(thread) 来恢复阻塞的线程。继续看 LockSupport 的实现：

public static void unpark(Thread thread) {
    if (var0 != null) {
        UNSAFE.unpark(thread);
    }
}
public static void park(Object obj) {
    Thread thread = Thread.currentThread();
    setBlocker(thread, obj);
    UNSAFE.park(false, 0L);
    setBlocker(thread, (Object)null);
}

LockSupport 内部调用了 UnSafe 类的 park 和 unpark, 是 native 代码，该类由虚拟机实现，以 Hotspot 虚拟机为例，查看 park 方法：

// unsafe.cpp
UNSAFE_ENTRY(void, Unsafe_Park(JNIEnv *env, jobject unsafe, jboolean isAbsolute, jlong time))
  UnsafeWrapper("Unsafe_Park");
#ifndef USDT2
  HS_DTRACE_PROBE3(hotspot, thread__park__begin, thread->parker(), (int) isAbsolute, time);
#else /* USDT2 */
   HOTSPOT_THREAD_PARK_BEGIN(
                             (uintptr_t) thread->parker(), (int) isAbsolute, time);
#endif /* USDT2 */
  JavaThreadParkedState jtps(thread, time != 0);
  thread->parker()->park(isAbsolute != 0, time);
#ifndef USDT2
  HS_DTRACE_PROBE1(hotspot, thread__park__end, thread->parker());
#else /* USDT2 */
  HOTSPOT_THREAD_PARK_END(
                          (uintptr_t) thread->parker());
#endif /* USDT2 */
UNSAFE_END

调用了: thread->parker()->park(isAbsolute != 0, time); 我们可以猜测是这句代码阻塞了当前线程。HotSpot 虚拟机里的 Thread 类对应着一个 OS 的 Thread, JavaThread 类继承于 Thread, JavaThread 实例对应着一个 Java 层的 Thread.

简而言之，Java 层的 Thread 对应着一个 OS 的 Thread。使用如下代码创建线程：

//linux_os.cpp
pthread_t tid;
int ret = pthread_create(&tid, &attr, (void* (*)(void*)) thread_native_entry, thread);

回到 Thread 类中的 Park，我们查看 HotSpot 的 thread.hpp, 找到了如下三个 Park:

public:
  ParkEvent * _ParkEvent ;    // for synchronized()
  ParkEvent * _SleepEvent ;   // for Thread.sleep
// JSR166 per-thread parker
private:
  Parker*    _parker;

从注释上可以看出分别是用于 synchronized 的阻塞，Thread.sleep 的阻塞还有用于 UnSafe 的线程阻塞，继续查看 park.hpp 节选：

// A word of caution: The JVM uses 2 very similar constructs:
// 1. ParkEvent are used for Java-level "monitor" synchronization.
// 2. Parkers are used by JSR166-JUC park-unpark.
class Parker : public os::PlatformParker {
// 略
}
class ParkEvent : public os::PlatformEvent {
// 略
}

注释上更近一步解释了两种 Parker 的区别，他们的实现非常相似，那为什么会存在两个呢？网络上有解释说是只是没重构而已。下面只看 Parker 的实现，发现 park.cpp 中并没有实现 park 方法，猜测应该是父类中实现了，因为这是和系统相关的操作，以 Linux 系统为例，查看 linux_os.cpp 找到了 park 的实现，截取了主要部分：

void Parker::park(bool isAbsolute, jlong time) {
  // 省略了前置判断

  // 获取锁
  if (Thread::is_interrupted(thread, false) || pthread_mutex_trylock(_mutex) != 0) {
    return;
  }
  if (time == 0) {
    _cur_index = REL_INDEX; // arbitrary choice when not timed
    // 调用 pthread_cond_wait 阻塞线程
    status = pthread_cond_wait (&_cond[_cur_index], _mutex) ;
  } else {
    _cur_index = isAbsolute ? ABS_INDEX : REL_INDEX;
    status = os::Linux::safe_cond_timedwait (&_cond[_cur_index], _mutex, &absTime) ;
    if (status != 0 && WorkAroundNPTLTimedWaitHang) {
      pthread_cond_destroy (&_cond[_cur_index]) ;
      pthread_cond_init    (&_cond[_cur_index], isAbsolute ? NULL : os::Linux::condAttr());
    }
  }
  _cur_index = -1;
  // 已从 block 中恢复，释放锁
  _counter = 0 ;
  status = pthread_mutex_unlock(_mutex) ;
  // 略
}

总共分三步走，先获取锁，再调用 pthread_cond_wait 阻塞线程，最后阻塞恢复了之后释放锁，是不是和我们使用 Object.wait 十分类似，事实上 Object.wait 底层也是这种方式实现的。为了更清楚的了解底层的实现，写了一段 c 代码看一下线程的创建和锁的使用：

int counter = 0;
// 互斥锁对象
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* add() {
  for(int i = 0;i < 2;++i) {
    // 获取锁
    pthread_mutex_lock( &mutex );
    ++counter;
    sleep(1);
    // 释放锁
    pthread_mutex_unlock( &mutex );
    printf("counter = %d\n", counter);
  }
  pthread_exit(NULL);
}
int main() {
  pthread_t thread_1, thread_2;
  // 创建线程
  pthread_create(&thread_1, NULL, add, NULL);
  pthread_create(&thread_2, NULL, add, NULL);
  pthread_join(thread_1, NULL);
  pthread_join(thread_2, NULL);
  return 0;
}

使用 pthread_create 创建线程，使用 pthread_mutex_lock 获取锁，使用 pthread_mutex_unlock 释放锁。那既然 pthread_mutex_lock 和 pthread_mutex_unlock 就能实现锁了，那为什么锁实现的时候还要使用 pthread_cond_wait 来阻塞线程呢？回过头看 PlatformParker ：

//os_linux.hpp
class PlatformParker {
 pthread_mutex_t _mutex[1];
 //一个是给park用, 另一个是给parkUntil用
 pthread_cond_t  _cond[2]; // one for relative times and one for abs.
 //略...
};

每个 JavaThread 实例都有自己的 mutex，在上述自己写的例子中是多个线程竞争同一个 mutex，阻塞线程队列管理的逻辑直接由 mutex 实现，而此处的 mutex 线程私有，不存在直接竞争关系，事实上，JVM 为了提升平台通用性(?)，只提供了线程阻塞和恢复操作，阻塞线程队列的管理工作交给了 Java 层，也就是前面提到的 AQS。对于 Java 层来说 JVM 只需要提供 「阻塞」 和 「唤醒」 的操作即可。

在 Java 中讲解 Object.wait, Object.notify 的时候通常会用生产者-消费者作为例子，这里我也简单的写了一个 c 的例子，让大家了解底层线程阻塞的原理：

#define TRUE 1
#define FALSE 0
#define BUFFER_SIZE 10
pthread_cond_t msg_cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
char* msgBuffer[BUFFER_SIZE] = {0};
int bufferIndex = -1;
int counter = 0;
void* readMsg() {
    while (TRUE) {
        // 获取锁
        pthread_mutex_lock( &mutex );
        if (bufferIndex < 0) {
            printf("wait for message\n");
            // 消息队列如果为空则阻塞等待
            pthread_cond_wait( &msg_cond, &mutex);
        }
        for(; bufferIndex >= 0; --bufferIndex){
            char* msg = msgBuffer[bufferIndex];
            msgBuffer[bufferIndex] = 0;
            printf("read message = %s, %d\n", msg, counter++);
            // 通知生产者线程
            pthread_cond_signal(&msg_cond);
        }
        sleep(1);
        // 释放锁
        pthread_mutex_unlock( &mutex );
    }
    return 0;
}
void* writeMsg() {
    // 获取锁
    pthread_mutex_lock( &mutex );
    if (bufferIndex < BUFFER_SIZE - 1) {
        char* msg = "haha!";
        msgBuffer[++bufferIndex] = msg;
        // 通知消费者线程
        pthread_cond_signal(&msg_cond); // notify();
        // pthread_cond_broadcast(&msg_cond); // notifyAll();
    } else {
        printf("message buffer is full!\n");
        // 缓冲队列已满阻塞等待
        pthread_cond_wait( &msg_cond, &mutex);
    }
    // 释放锁
    pthread_mutex_unlock( &mutex );
    return 0;
}
int main(int argc, char const *argv[]) {
    pthread_t thread_r;
    // 创建后台消费者线程
    pthread_create(&thread_r, NULL, readMsg, NULL);

    for(int i = 0; i < 50; i++){
        printf("send message %d \n", i);
        // 生产消息
        writeMsg();
    }
    pthread_join(thread_r, NULL);
    return 0;
}

其中消费者线程是一个循环，在循环中先获取锁，然后判断队列是否为空，如果为空则调用 pthread_cond_wait 阻塞线程，这个阻塞操作会自动释放持有的锁并出让 cpu 时间片，恢复的时候自动获取锁，消费完队列之后会调用 pthread_cond_signal 通知生产者线程，另外还有一个通知所有线程恢复的 pthread_cond_broadcast，与 notifyAll 类似。

最后再简单谈一下阻塞中断，Java 层 Thread 中有个 interrupt 方法，它的作用是在线程收到阻塞的时候抛出一个中断信号，这样线程就会退出阻塞状态，但是并不是我们遇到的所有阻塞都会中断，要看是否会响应中断信号，Object.wait, Thread.join，Thread.sleep，ReentrantLock.lockInterruptibly 这些会抛出受检异常 InterruptedException 的都会被中断。synchronized，ReentrantLock.lock 的锁竞争阻塞是不会被中断的，interrupt 并不会强制终止线程，而是会将线程设置成 interrupted 状态，我们可以通过判断 isInterrupted 或 interrupted 来获取中断状态，区别在于后者会重置中断状态为 false。看一下底层线程中断的代码：

// os_linux.cpp
void os::interrupt(Thread* thread) {
  OSThread* osthread = thread->osthread();
  if (!osthread->interrupted()) {
    osthread->set_interrupted(true);
    OrderAccess::fence();
    ParkEvent * const slp = thread->_SleepEvent ;
    if (slp != NULL) slp->unpark() ;
  }
  // For JSR166. Unpark even if interrupt status already was set
  if (thread->is_Java_thread())
    ((JavaThread*)thread)->parker()->unpark();
  ParkEvent * ev = thread->_ParkEvent ;
  if (ev != NULL) ev->unpark() ;
}

可以看到，线程中断也是由 unpark 实现的, 即恢复了阻塞的线程。并且对之前提到的三个 Parker (_ParkEvent，_SleepEvent，_parker) 都进行了 unpark。

说到这里相信大家对 Java 线程锁与线程阻塞有个大体的了解了吧，由于本人水平实在有限，有些地方讲的不好或者有错误的地方请多包涵，如果发现任何问题，请提出讨论，我会及时修改。

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