JVM Bug:多个线程持有一把锁?
注:文章首发于InfoQ，http://www.infoq.com/cn/articles/jvm-bug-thread
JVM线程dump Bug描述
在JAVA语言中，当同步块(Synchronized)被多个线程并发访问时，JVM中会采用基于互斥实现的重量级锁。JVM最多只允许一个线程持有这把锁，如果其它线程想要获得这把锁就必须处于等待状态，也就是说在同步块被并发访问时，最多只会有一个处于RUNNABLE状态的线程持有某把锁，而另外的线程因为竞争不到这把锁而都处于BLOCKED状态。然而有些时候我们会发现处于BLOCKED状态的线程，它的最上面那一帧在打印其正在等待的锁对象时，居然也会出现-locked的信息，这个信息和持有该锁的线程打印出来的结果是一样的(请看下图)，但是对比其他BLOCKED态的线程却并没有都出现这种情况。当我们再次dump线程时又可能出现不一样的结果。测试表明这可能是一个偶发的情况，本文就是针对这种情况对JVM内部的实现做了一个研究以寻找其根源。
JStack命令的整个过程
上面提到了线程dump，那么就不得不提执行线程dump的工具—jstack，这个工具是Java自带的工具，和Java处于同一个目录下，主要是用来dump线程的，或许大家也有使用kill -3的命令来dump线程，但这两者最明显的一个区别是，前者的dump内容是由jstack这个进程来输出的，目标JVM进程将dump内容发给jstack进程(注意这是没有加-m参数的场景，指定-m参数就有点不一样了，它使用的是serviceability agent的api来实现的，底层通过ptrace的方式来获取目标进程的内容，执行过程可能会比正常模式更长点)，这意味着可以做文件重定向，将线程dump内容输出到指定文件里；而后者是由目标进程输出的，只会产生在目标进程的标准输出文件里，如果正巧标准输出里本身就有内容的话，看起来会比较乱，比如想通过一些分析工具去分析的话，要是该工具没有做过滤操作，很可能无法分析。因此一般情况我们尽量使用jstack，另外jstack还有很多实用的参数，比如jstack pid >thread_dump.log，该命令会将指定pid的进程的线程dump到当前目录的thread_dump.log文件里。
jstack是使用Java实现的，它通过给目标JVM进程发送一个threaddump的命令，目标JVM的监听线程（attachListener）会实时监听传过来的命令(其实attachListener线程并不是一启动就创建的，它是lazy创建启动的)，当attachListener收到threaddump命令时会调用thread_dump的方法来处理dump操作(方法在attachListener.cpp里)。
static jint thread_dump(AttachOperation* op, outputStream* out) {
bool print_concurrent_locks = false;
if (op->arg(0) != NULL && strcmp(op->arg(0), "-l") == 0) {
print_concurrent_locks = true;
}
// thread stacks
VM_PrintThreads op1(out, print_concurrent_locks);
VMThread::execute(&op1);
// JNI global handles
VM_PrintJNI op2(out);
VMThread::execute(&op2);
// Deadlock detection
VM_FindDeadlocks op3(out);
VMThread::execute(&op3);
return JNI_OK;
}
从上面的方法可以看到，jstack命令执行了三个操作：
VM_PrintThreads：打印线程栈VM_PrintJNI：打印JNIVM_FindDeadlocks：打印死锁
三个操作都是交给VMThread线程去执行的，VMThread线程在整个JAVA进程有且只会有一个。可以想象一下VMThread线程的简单执行过程：不断地轮询某个任务列表并在有任务时依次执行任务。任务执行时，它会根据具体的任务决定是否会暂停整个应用，也就是stop the world，这是不是让我们联想到了我们熟悉的GC过程？是的，我们的ygc以及cmsgc的两个暂停应用的阶段(init_mark和remark)都是由这个线程来执行的，并且都要求暂停整个应用。其实上面的三个操作都是要求暂停整个应用的，也就是说jstack触发的线程dump过程也是会暂停应用的，只是这个过程一般很快就结束，不会有明显的感觉。另外内存dump的jmap命令，也是会暂停整个应用的，如果使用了-F的参数，其底层也是使用serviceability agent的api来dump的，但是dump内存的速度会明显慢很多。
VMThread执行任务的过程
VMThread执行的任务称为vm_opration，在JVM中存在两种vm_opration，一种是需要在安全点内执行的(所谓安全点，就是系统处于一个安全的状态，除了VMThread这个线程可以正常运行之外，其他的线程都必须暂停执行，在这种情况下就可以放心执行当前的一系列vm_opration了)，另外一种是不需要在安全点内执行的。而这次我们讨论的线程dump是需要在安全点内执行的。
以下是VMThread轮询的逻辑:
void VMThread::loop() {
assert(_cur_vm_operation == NULL, "no current one should be executing");
while(true) {
...
//已经获取了一个vm_operation
if (_cur_vm_operation->evaluate_at_safepoint()) {
//如果该vm_operation需要在安全点内执行
_vm_queue->set_drain_list(safepoint_ops);
SafepointSynchronize::begin();//进入安全点
evaluate_operation(_cur_vm_operation);
do {
_cur_vm_operation = safepoint_ops;
if (_cur_vm_operation != NULL) {
do {
VM_Operation* next = _cur_vm_operation->next();
_vm_queue->set_drain_list(next);
evaluate_operation(_cur_vm_operation);
_cur_vm_operation = next;
if (PrintSafepointStatistics) {
SafepointSynchronize::inc_vmop_coalesced_count();
}
} while (_cur_vm_operation != NULL);
}
if (_vm_queue->peek_at_safepoint_priority()) {
MutexLockerEx mu_queue(VMOperationQueue_lock,
Mutex::_no_safepoint_check_flag);
safepoint_ops = _vm_queue->drain_at_safepoint_priority();
} else {
safepoint_ops = NULL;
}
} while(safepoint_ops != NULL);
_vm_queue->set_drain_list(NULL);
SafepointSynchronize::end();//退出安全点
} else { // not a safepoint operation
if (TraceLongCompiles) {
elapsedTimer t;
t.start();
evaluate_operation(_cur_vm_operation);
t.stop();
double secs = t.seconds();
if (secs * 1e3 > LongCompileThreshold) {
tty->print_cr("vm %s: %3.7f secs]", _cur_vm_operation->name(), secs);
}
} else {
evaluate_operation(_cur_vm_operation);
}
_cur_vm_operation = NULL;
}
}
...
}
在这里重点解释下在安全点内执行的vm_opration的过程，VMThread通过不断循环从_vm_queue中获取一个或者几个需要在安全点内执行的vm_opertion，然后在准备执行这些vm_opration之前先通过调用SafepointSynchronize::begin()进入到安全点状态，在执行完这些vm_opration之后，调用SafepointSynchronize::end()，退出安全点模式，恢复之前暂停的所有线程让他们继续运行。对于安全点这块的逻辑挺复杂的，仅仅需要记住在进入安全点模式的时候会持有Threads_lock这把线程互斥锁，对线程的操作都需要获取到这把锁才能继续执行，并且还会设置安全点的状态，如果正在进入安全点过程中设置_state为_synchronizing，当所有线程都完全进入了安全点之后设置_state为_synchronized状态，退出的时候设置为_not_synchronized状态。
void SafepointSynchronize::begin() {
...
Threads_lock->lock();
...
_state = _synchronizing;
...
_state = _synchronized;
...
}
void SafepointSynchronize::end() {
assert(Threads_lock->owned_by_self(), "must hold Threads_lock");
...
_state = _not_synchronized;
...
Threads_lock->unlock();
}
线程Dump中的VM_PrintThreads过程
回到开头提到的JVM线程Dump时的Bug，从我们打印的结果来看也基本猜到了这个过程：遍历每个Java线程，然后再遍历每一帧，打印该帧的一些信息(包括类，方法名，行数等)，在打印完每一帧之后然后打印这帧已经关联了的锁信息，下面代码就是打印每个线程的过程:
void JavaThread::print_stack_on(outputStream* st) {
if (!has_last_Java_frame()) return;
ResourceMark rm;
HandleMark hm;
RegisterMap reg_map(this);
vframe* start_vf = last_java_vframe(®_map);
int count = 0;
for (vframe* f = start_vf; f; f = f->sender() ) {
if (f->is_java_frame()) {
javaVFrame* jvf = javaVFrame::cast(f);
java_lang_Throwable::print_stack_element(st, jvf->method(), jvf->bci());
if (JavaMonitorsInStackTrace) {
jvf->print_lock_info_on(st, count);
}
} else {
// Ignore non-Java frames
}
count++;
if (MaxJavaStackTraceDepth == count) return;
}
}
和我们这次问题相关的逻辑，也就是打印"-locked"的信息是正好是在jvf->print_lock_info_on(st, count)这行里面，请看具体实现:
void javaVFrame::print_lock_info_on(outputStream* st, int frame_count) {
ResourceMark rm;
if (frame_count == 0) {
if (method()->name() == vmSymbols::wait_name() &&
instanceKlass::cast(method()->method_holder())->name() == vmSymbols::java_lang_Object()) {
StackValueCollection* locs = locals();
if (!locs->is_empty()) {
StackValue* sv = locs->at(0);
if (sv->type() == T_OBJECT) {
Handle o = locs->at(0)->get_obj();
print_locked_object_class_name(st, o, "waiting on");
}
}
} else if (thread()->current_park_blocker() != NULL) {
oop obj = thread()->current_park_blocker();
Klass* k = Klass::cast(obj->klass());
st->print_cr("\t- %s <" INTPTR_FORMAT "> (a %s)", "parking to wait for ", (address)obj, k->external_name());
}
}
GrowableArray* mons = monitors();
if (!mons->is_empty()) {
bool found_first_monitor = false;
for (int index = (mons->length()-1); index >= 0; index--) {
MonitorInfo* monitor = mons->at(index);
if (monitor->eliminated() && is_compiled_frame()) {
if (monitor->owner_is_scalar_replaced()) {
Klass* k = Klass::cast(monitor->owner_klass());
st->print("\t- eliminated (a %s)", k->external_name());
} else {
oop obj = monitor->owner();
if (obj != NULL) {
print_locked_object_class_name(st, obj, "eliminated");
}
}
continue;
}
if (monitor->owner() != NULL) {
const char *lock_state = "locked";
if (!found_first_monitor && frame_count == 0) {
markOop mark = monitor->owner()->mark();
if (mark->has_monitor() &&
mark->monitor() == thread()->current_pending_monitor()) {
lock_state = "waiting to lock";
}
}
found_first_monitor = true;
print_locked_object_class_name(st, monitor->owner(), lock_state);
}
}
}
}
看到上面的方法，再对比线程dump的结果，我们会发现很多熟悉的东西，比如waiting on，parking to wait for，locked，waiting to lock，而且也清楚了它们分别是在什么情况下会打印的。
那为什么我们的例子中BLOCKED状态的线程本应该打印waiting to lock,但是为什么却打印了locked呢，那说明if (mark->has_monitor() && mark->monitor() == thread()->current_pending_monitor()) 这个条件肯定不成立，那这个在什么情况下不成立呢？在验证此问题前，有必要先了解下markOop是什么东西，它是用来干什么的？
markOop是什么
markOop描述了一个对象(也包括了Class)的状态信息，Java语法层面的每个对象或者Class在JVM的结构表示中都会包含一个markOop作为Header，当然还有一些其他的JVM数据结构也用它做Header。markOop由32位或者64位构成，具体位数根据运行环境而定。
下面的结构图包含markOop每一位所代表的含义，markOop的值根据所描述的对象的类型(比如是锁对象还是正常的对象)以及作用的不同而不同。就算在同一个对象里，它的值也是可能会不断变化的，比如锁对象，在一开始创建的时候其实并不知道是锁对象，会当成一个正常对象来创建(在对象的类型并没有设置偏向锁的情况下，其markOop值可能是0x1)，但是随着我们执行到synchronized的代码逻辑时，就知道其实它是一个锁对象了，它的值就不再是0x1了，而是一个新的值，该值是对应栈帧结构里的监控对象列表里的某一个内存地址。
// 32 bits: // -------- // hash:25 ------------>| age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object) // JavaThread*:23 epoch:2 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object) // size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block) // PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object) // // 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) // PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object) // size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block) // // unused:25 hash:31 -->| cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && normal object) // JavaThread*:54 epoch:2 cms_free:1 age:4 biased_lock:1 lock:2 (COOPs && biased object) // narrowOop:32 unused:24 cms_free:1 unused:4 promo_bits:3 ----->| (COOPs && CMS promoted object) // unused:21 size:35 -->| cms_free:1 unused:7 ------------------>| (COOPs && CMS free block)
就最后的3位而言，其不同的值代表不同的含义：
enum { locked_value = 0,//00
unlocked_value = 1,//01
monitor_value = 2,//10
marked_value = 3,//11
biased_lock_pattern = 5 //101
};
上面的判断条件“mark->has_monitor()”其实就是判断最后的2位是不是10，如果是，则说明这个对象是一个监控对象，可以通过mark->monitor()方法获取到对应的结构体：
bool has_monitor() const {
return ((value() & monitor_value) != 0);
}
ObjectMonitor* monitor() const {
assert(has_monitor(), "check");
// Use xor instead of &~ to provide one extra tag-bit check.
return (ObjectMonitor*) (value() ^ monitor_value);
}
将一个普通对象转换为一个monitor对象的过程(就是替换markOop的值)请参考为ObjectSynchronizer::inflate方法，能进入到该方法说明该锁为重量级锁，也就是说这把锁其实是被多个线程竞争的。
了解了markOop之后，还要了解下上面那个条件里的thread()->current_pending_monitor()，也就是这个值是什么时候设置进去的呢?
线程设置等待的监控对象的时机
设置的逻辑在ObjectMonitor::enter里，关键代码如下：
...
{
JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this);
DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__enter, this, object(), jt);
if (JvmtiExport::should_post_monitor_contended_enter()) {
JvmtiExport::post_monitor_contended_enter(jt, this);
}
OSThreadContendState osts(Self->osthread());
ThreadBlockInVM tbivm(jt);
Self->set_current_pending_monitor(this);//设置当前monitor对象为当前线程等待的monitor对象
for (;;) {
jt->set_suspend_equivalent();
EnterI (THREAD) ;
if (!ExitSuspendEquivalent(jt)) break ;
_recursions = 0 ;
_succ = NULL ;
exit (false, Self) ;
jt->java_suspend_self();
}
Self->set_current_pending_monitor(NULL);
}
...
设置当前线程等待的monitorObject是在有中文注释的那一行设置的，那么出现Bug的原因是不是正好在设置之前进行了线程dump呢？
水落石出
在JVM中只会有一个处于RUNNBALE状态的线程，也就是说另外一个打印"-locked"信息的线程是处于BLOCKED状态的。上面的第一行代码：
JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this);
找到其实现位置：
JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState(JavaThread *java_thread, ObjectMonitor *obj_m) :
JavaThreadStatusChanger(java_thread) {
assert((java_thread != NULL), "Java thread should not be null here");
_active = false;
if (is_alive() && ServiceUtil::visible_oop((oop)obj_m->object()) && obj_m->contentions() > 0) {
_stat = java_thread->get_thread_stat();
_active = contended_enter_begin(java_thread);//关键处
}
}
static bool contended_enter_begin(JavaThread *java_thread) {
set_thread_status(java_thread, java_lang_Thread::BLOCKED_ON_MONITOR_ENTER);//关键处
ThreadStatistics* stat = java_thread->get_thread_stat();
stat->contended_enter();
bool active = ThreadService::is_thread_monitoring_contention();
if (active) {
stat->contended_enter_begin();
}
return active;
}
上面的contended_enter_begin方法会设置java线程的状态为java_lang_Thread::BLOCKED_ON_MONITOR_ENTER，而线程dump时根据这个状态打印的结果如下：
const char* java_lang_Thread::thread_status_name(oop java_thread) {
assert(JDK_Version::is_gte_jdk15x_version() && _thread_status_offset != 0, "Must have thread status");
ThreadStatus status = (java_lang_Thread::ThreadStatus)java_thread->int_field(_thread_status_offset);
switch (status) {
case NEW : return "NEW";
case RUNNABLE : return "RUNNABLE";
case SLEEPING : return "TIMED_WAITING (sleeping)";
case IN_OBJECT_WAIT : return "WAITING (on object monitor)";
case IN_OBJECT_WAIT_TIMED : return "TIMED_WAITING (on object monitor)";
case PARKED : return "WAITING (parking)";
case PARKED_TIMED : return "TIMED_WAITING (parking)";
case BLOCKED_ON_MONITOR_ENTER : return "BLOCKED (on object monitor)";
case TERMINATED : return "TERMINATED";
default : return "UNKNOWN";
};
}
正好对应我们dump日志中的信息"BLOCKED (on object monitor)"也就是说这行代码被正常执行了，那问题就可能出在JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this)和Self->set_current_pending_monitor(this)这两行代码之间的逻辑里了：
JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this);
DTRACE_MONITOR_PROBE(contended__enter, this, object(), jt);
if (JvmtiExport::should_post_monitor_contended_enter()) {
JvmtiExport::post_monitor_contended_enter(jt, this);
}
OSThreadContendState osts(Self->osthread());
ThreadBlockInVM tbivm(jt);
Self->set_current_pending_monitor(this);//设置当前monitor对象为当前线程等待的monitor对象
于是检查每一行的实现，前面几行都基本可以排除了，因为它们都是很简单的操作，下面来分析下ThreadBlockInVM tbivm(jt)这一行的实现：
ThreadBlockInVM(JavaThread *thread)
: ThreadStateTransition(thread) {
thread->frame_anchor()->make_walkable(thread);
trans_and_fence(_thread_in_vm, _thread_blocked);
}
void trans_and_fence(JavaThreadState from, JavaThreadState to) {
transition_and_fence(_thread, from, to);
}
static inline void transition_and_fence(JavaThread *thread, JavaThreadState from, JavaThreadState to) {
assert(thread->thread_state() == from, "coming from wrong thread state");
assert((from & 1) == 0 && (to & 1) == 0, "odd numbers are transitions states");
thread->set_thread_state((JavaThreadState)(from + 1));
if (os::is_MP()) {
if (UseMembar) {
OrderAccess::fence();
} else {
InterfaceSupport::serialize_memory(thread);
}
}
if (SafepointSynchronize::do_call_back()) {
SafepointSynchronize::block(thread);
}
thread->set_thread_state(to);
CHECK_UNHANDLED_OOPS_ONLY(thread->clear_unhandled_oops();)
}
...
}
也许我们看到可能造成问题的代码了：
if (SafepointSynchronize::do_call_back()) {
SafepointSynchronize::block(thread);
}
想象一下，当这个线程正好执行到这个条件判断，然后进去了，从方法名上来说是不是意味着这个线程会block住，并且不往后走了呢？这样一来设置当前线程的pending_monitor对象的操作就不会被执行了，从而在打印这个线程栈的时候就会打印"-locked"信息了，那么纠结是否正如我们想的那样呢？
首先来看条件SafepointSynchronize::do_call_back()是否一定会成立：
inline static bool do_call_back() {
return (_state != _not_synchronized);
}
上面的VMThread执行任务的过程中说到了这个状态，当vmThread执行完了SafepointSynchronize::begin()之后，这个状态是设置为_synchronized的。如果正在执行，那么状态是_synchronizing，因此，当我们触发了jvm的线程dump之后，VMThread执行该操作，而且还在执行线程dump过程前，但是还只是_synchronizing的状态，那么do_call_back()将会返回true，那么将执行接下来的SafepointSynchronize::block(thread)方法：
void SafepointSynchronize::block(JavaThread *thread) {
assert(thread != NULL, "thread must be set");
assert(thread->is_Java_thread(), "not a Java thread");
ttyLocker::break_tty_lock_for_safepoint(os::current_thread_id());
if (thread->is_terminated()) {
thread->block_if_vm_exited();
return;
}
JavaThreadState state = thread->thread_state();
thread->frame_anchor()->make_walkable(thread);
switch(state) {
case _thread_in_vm_trans:
case _thread_in_Java: // From compiled code
thread->set_thread_state(_thread_in_vm);
if (is_synchronizing()) {
Atomic::inc (&TryingToBlock) ;
}
Safepoint_lock->lock_without_safepoint_check();
if (is_synchronizing()) {
assert(_waiting_to_block > 0, "sanity check");
_waiting_to_block--;
thread->safepoint_state()->set_has_called_back(true);
DEBUG_ONLY(thread->set_visited_for_critical_count(true));
if (thread->in_critical()) {
increment_jni_active_count();
}
if (_waiting_to_block == 0) {
Safepoint_lock->notify_all();
}
}
thread->set_thread_state(_thread_blocked);
Safepoint_lock->unlock();
Threads_lock->lock_without_safepoint_check();//关键代码
thread->set_thread_state(state);
Threads_lock->unlock();
break;
...
}
if (state != _thread_blocked_trans &&
state != _thread_in_vm_trans &&
thread->has_special_runtime_exit_condition()) {
thread->handle_special_runtime_exit_condition(
!thread->is_at_poll_safepoint() && (state != _thread_in_native_trans));
}
}
void Monitor::lock_without_safepoint_check (Thread * Self) {
assert (_owner != Self, "invariant") ;
ILock (Self) ;
assert (_owner == NULL, "invariant");
set_owner (Self);
}
void Monitor::lock_without_safepoint_check () {
lock_without_safepoint_check (Thread::current()) ;
}
看到上面的实现可以确定，Java线程执行时会调用Threads_lock->lock_without_safepoint_check()，而Threads_lock因为被VMThread持有，将一直卡死在ILock (Self)这个逻辑里，从而没有设置current_monitor属性，由此验证了我们的想法。
Bug修复
在了解了原因之后，我们可以简单的修复这个Bug。将下面两行代码调换下位置即可：
ThreadBlockInVM tbivm(jt); Self->set_current_pending_monitor(this);//设置当前monitor对象为当前线程等待的monitor对象
该Bug不会对生产环境产生影响，本文主要是和大家分享分析问题的过程，希望大家碰到疑惑都能有一查到底的劲儿，带着问题，不断提出自己的猜想，然后不断验证自己的猜想，最终解决问题。