編者按：筆者在 AArch64 中遇到一個(gè) G1 GC 掛起，CPU 利用率高達(dá) 300%的案例。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是由 JVM 的鎖機(jī)制導(dǎo)致，該問(wèn)題根因是并發(fā)編程中沒(méi)有正確理解內(nèi)存序?qū)е?。本文著重介紹 JVM 中 Monitor 的基本原理，同時(shí)演示了在什么情況下會(huì)觸發(fā)該問(wèn)題。希望通過(guò)本文的分析，讀者能夠了解到內(nèi)存序?qū)π阅?、正確性的影響，在并發(fā)編程時(shí)更加仔細(xì)。

現(xiàn)象

本案例是一個(gè)典型的弱內(nèi)存模型案例，大致的現(xiàn)象就是 AArch64 平臺(tái)上，業(yè)務(wù)掛死，而進(jìn)程占用 CPU 持續(xù)維持在 300%。配合 top 和 gdb，可以看到是 3 個(gè) GC 線程在 offer_termination 處陷入了死循環(huán)：

多個(gè)并行 GC 線程在 Minor GC 結(jié)束時(shí)調(diào)用 offer_termination，在 offer_termination 中自旋等待其他并行 GC 線程到達(dá)該位置，才說(shuō)明 GC 任務(wù)完成，可以終止。（關(guān)于并行任務(wù)的中止協(xié)議問(wèn)題，可以參考相關(guān)論文，這里不做著重介紹。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，在并行任務(wù)執(zhí)行時(shí)，多個(gè)任務(wù)之間可能存在任務(wù)不均衡，所以 JVM 內(nèi)部設(shè)計(jì)了任務(wù)均衡機(jī)制，同時(shí)必須設(shè)計(jì)任務(wù)終止的機(jī)制來(lái)保證多個(gè)任務(wù)都能完成，這里的 offer_termination 就是嘗試終止任務(wù)）。

在該案例中，部分 GC 線程完成自己的任務(wù)，等待其他的 GC 線程。此時(shí)出現(xiàn)掛起，很有可能是因?yàn)榘l(fā)生了死鎖。所以問(wèn)題很可能是由于那些尚未完成任務(wù)的 GC 線程上錯(cuò)誤地使用鎖。所以使用 gdb 觀察了一下其他 GC 線程，發(fā)現(xiàn)其他 GC 線程全都阻塞在一把 JVM 的鎖上：

而這把 Monitor 中的情況如下：

cxq 上積累了大量 GC 線程

OnDeck 記錄的 GC 線程已經(jīng)消失

_owner 記錄的鎖持有者為 NULL

分析

在進(jìn)一步分析前，首先普及一下 JVM 鎖組件 Monitor 的基本原理，Monitor 類(lèi)主要包含 4 個(gè)核心字段：

“Thread * volatile _owner” 字段指向這把鎖的持有線程

“SplitWord_LockWord” 字段被設(shè)計(jì)為 1 個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)，目的是為了確保操作時(shí)天然的原子性，它的最低位被設(shè)計(jì)為上鎖標(biāo)記位，而高位區(qū)域用來(lái)存放 256 字節(jié)對(duì)齊的競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)列(cxq)地址

“ParkEvent * volatile_EntryList” 字段指向一個(gè)等待隊(duì)列，跟 cxq 差別不大，個(gè)人理解只是為了緩解 cxq 的競(jìng)爭(zhēng)壓力而設(shè)計(jì)

“ParkEvent * volatile_OnDeck” 字段指向這把鎖的法定繼承人，同時(shí)最低位還充當(dāng)了內(nèi)部鎖的角色

接下來(lái)通過(guò)一組流程圖來(lái)介紹加解鎖的具體流程：

上圖是加鎖的一個(gè)整體流程，大致分為 3 步：

首先走快速上鎖流程，主要對(duì)應(yīng)鎖本身無(wú)人持有的最理想情況

接著是自旋上鎖流程，這是預(yù)期將在短時(shí)間內(nèi)獲取鎖的情況

最后是慢速上鎖流程，申請(qǐng)者將會(huì)加入等待隊(duì)列(cxq)，然后進(jìn)入睡眠，直到被喚醒后發(fā)現(xiàn)自己變成了法定繼承者，于是進(jìn)入自旋，直到完成上鎖。

而且，基于性能考慮，整個(gè)上鎖流程中的每一步幾乎都做了“插隊(duì)”的嘗試：

如上圖代碼中所示，“插隊(duì)”的意思就是不經(jīng)過(guò)排隊(duì)(cxq)，直接嘗試置上鎖標(biāo)志位。

上圖就是整個(gè)解鎖流程了，顯然真正的解鎖操作在第二步中就已經(jīng)完成了(意味著接下來(lái)時(shí)刻有“插隊(duì)”現(xiàn)象發(fā)生)，剩下的主要就是選出繼承者的過(guò)程，大致分為以下幾步：

解鎖線程首先需要將內(nèi)部鎖(_OnDeck)標(biāo)記上鎖

從競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)列(cxq)抽取所有等待者放入等待隊(duì)列(_EntryList)

_ EntryList 取出頭一個(gè)元素，寫(xiě)入_OnDeck 的同時(shí)解除內(nèi)部鎖標(biāo)記，這代表選出了繼承者

喚醒繼承者

當(dāng)然伴隨著整個(gè)解鎖流程每一步的，還有對(duì)“插隊(duì)”行為的處理。

至此，JVM 鎖組件 Monitor 的原理就介紹到這里，再回歸到問(wèn)題本身，一個(gè)疑問(wèn)就是_OnDeck 上記錄的繼承者為何消失？作為繼承者，既然已經(jīng)消失在競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)列和等待隊(duì)列里，顯然意味著它大概率已經(jīng)持有鎖、然后解鎖走人了，所以問(wèn)題很可能跟繼承者選取過(guò)程有關(guān)。基于這種猜測(cè)，我們對(duì)相關(guān)代碼著重進(jìn)行了梳理，就發(fā)現(xiàn)了下圖兩處紅框標(biāo)記位置存在疑點(diǎn)，那就是在選繼承者過(guò)程第 3 步中：

寫(xiě)EntryList 和寫(xiě)_OnDeck 之間沒(méi)有 barrier 來(lái)保證執(zhí)行順序，這可能出現(xiàn)_OnDeck 先于EntryList 寫(xiě)入的情況，一旦繼承人提前持有鎖，后果就可能非常糟糕…

這里貼了一張可能的問(wèn)題場(chǎng)景：

線程 A 處于解鎖流程中，由于亂序，先寫(xiě)入了繼承者同時(shí)解除內(nèi)部鎖

線程 B 處于上鎖流程，發(fā)現(xiàn)自己就是法定繼承者后，立刻完成上鎖

線程 B 又迅速進(jìn)入解鎖流程，并從_EntryList 中取出頭元素(也就是線程 B!)作為繼承者寫(xiě)入_OnDeck，完成解鎖走人

線程 A 此時(shí)才更新_EntryList，然后喚醒繼承者(也就是線程 B!)，完成解鎖走人

_OnDeck 上的繼承者線程 B，實(shí)際已經(jīng)完成加解鎖離開(kāi)，后續(xù)等待線程再也無(wú)法被喚醒。

正巧在社區(qū)的高版本上找到了一個(gè)相關(guān)的修復(fù)記錄(JDK- 8166197)，這里貼出 2 個(gè)關(guān)鍵的代碼片段：

上面這段代碼位于慢速上鎖流程，被喚醒后檢查繼承者是否是自己，修復(fù)后的代碼在讀_OnDeck 時(shí)加了 Load-Acquire 的 barrier。

上面這段代碼位于解鎖時(shí)選繼承者流程，從_ EntryList 取出頭一個(gè)元素，寫(xiě)入_OnDeck 的同時(shí)解除內(nèi)部鎖標(biāo)記，修復(fù)后的代碼在寫(xiě)_OnDeck 時(shí)加了 Store-Release 的 barrier。

顯然，圍繞_OnDeck 添加的這對(duì) One-way barrier 可以確保：當(dāng)繼承者線程被喚醒時(shí)，該線程可以“看”到_EntryList 已經(jīng)被及時(shí)更新。

總結(jié)：

在 AArch64 這種弱內(nèi)存模型的平臺(tái)上（關(guān)于內(nèi)存序更多的知識(shí)在接下來(lái)的分享中會(huì)詳細(xì)介紹），一旦涉及多線程對(duì)公共內(nèi)存的每一次訪問(wèn)，必須反復(fù)確認(rèn)是否需要通過(guò) barrier 來(lái)嚴(yán)格保序，而且除非存在有效的依賴關(guān)系，否則 barrier 需要在讀寫(xiě)端成對(duì)使用。