深入理解Java监视器、锁膨胀与GC安全点同步延迟

本文深入探讨java虚拟机中监视器（monitor）的工作机制，特别是薄锁与胖锁的转换过程。我们将聚焦于“闲置监视器”的概念，解释其如何因锁膨胀和延迟收缩机制而产生，并分析大量闲置监视器可能对垃圾回收（gc）安全点同步阶段造成的性能影响。此外，文章还提供了诊断gc同步延迟的策略，包括识别潜在的应用程序瓶颈和利用jvm诊断工具进行性能分析。

Java监视器基础：薄锁与胖锁

在Java中，每个对象都可以作为监视器，用于实现线程间的同步。监视器的核心在于管理对共享资源的访问，确保在任意时刻只有一个线程能够持有锁。JVM内部对监视器的实现通常分为两种状态：薄锁（Thin Lock）和胖锁（Fat Lock）。

薄锁机制

默认情况下，当一个线程尝试获取一个未被锁定的对象监视器时，该监视器处于“薄”状态。此时，锁的状态信息（如是否锁定、哪个线程持有）直接存储在对象头部的几个特定位中。线程通过原子操作（例如比较并交换，CAS）尝试将这些位从“未锁定”翻转为“已锁定”，并标记自己为持有者。如果操作成功，线程便获取了锁并继续执行，这个过程非常高效，开销极低。

胖锁机制与锁膨胀

当发生锁竞争时，即一个线程尝试获取已被另一个线程持有的薄锁，CAS操作会失败。此时，JVM需要为该监视器创建一个更复杂的“胖锁”数据结构。这个过程称为锁膨胀（Lock Inflation）。胖锁能够存储更多的状态信息，包括等待获取锁的线程队列、持有锁的线程标识等。线程在无法立即获取薄锁时，会被添加到胖锁的等待队列中，并进入“停车”（park）状态，直到锁被释放并被唤醒。

胖锁的创建和管理比薄锁需要更多的内存和CPU开销，因为涉及到堆内存分配和更复杂的同步原语。

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锁收缩与“闲置监视器”

为了优化性能，JVM会尝试将不再有竞争的胖锁重新转换回薄锁，这个过程称为锁收缩（Lock Deflation）。然而，JVM通常不会在锁被释放后立即进行收缩。这是因为如果锁很快再次发生竞争，立即收缩再膨胀会带来不必要的开销。因此，JVM会采用一种延迟收缩的策略。

“闲置监视器”的定义与影响

“闲置监视器”特指那些当前处于“胖”状态，但既没有被任何线程持有，也没有任何线程在其等待队列中等待获取的监视器。它们是等待被收缩的胖锁。

在某些极端场景下，如果应用程序产生了大量短暂的锁竞争，导致大量监视器膨胀为胖锁，但这些胖锁又很快变得“闲置”，并且数量持续累积，就会出现大量“闲置监视器”。JDK-8153224等JVM内部优化问题指出，当系统中存在数量庞大的闲置监视器时，JVM在执行垃圾回收（GC）的安全点（Safepoint）同步阶段可能会遇到显著的性能瓶颈。

安全点同步是GC过程中的一个关键步骤，所有应用线程必须暂停并在安全点等待，以便GC能够安全地检查和修改堆。如果JVM在安全点同步阶段需要处理大量的闲置监视器（例如，对其进行扫描和收缩），这个过程会消耗大量时间，从而导致GC暂停时间延长，表现为“Stopping threads”阶段耗时过长，或安全点日志中“sync”阶段耗时异常。

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诊断GC安全点同步延迟

要确定“闲置监视器”是否是导致GC安全点同步延迟的根本原因，通常难以直接通过外部工具观察。然而，我们可以从以下几个方面进行排查和诊断：

1. 分析应用程序设计

如果怀疑是“闲置监视器”问题，首先应审视应用程序的并发模型和锁使用模式：

• 高并发/高竞争场景： 应用程序是否在短时间内创建并销毁大量线程？是否存在大量对象被频繁用作同步锁，且这些锁存在高频竞争？例如，某些微服务架构或高吞吐量系统可能在极端负载下产生数千甚至数十万个并发操作，每个操作都可能涉及对象锁。
• 锁粒度： 检查是否存在锁粒度过粗或锁范围过大的情况，导致不必要的竞争。
• 短暂锁竞争： 应用程序是否频繁创建临时对象并对其进行同步，然后这些对象很快变得不可达？

2. 识别其他GC同步延迟的常见原因

在投入大量精力排查“闲置监视器”之前，应先考虑GC安全点同步延迟的其他常见原因：

• 长时间运行的循环： 某些应用程序线程可能在执行长时间运行的CPU密集型循环，且这些循环内部没有达到安全点的机会，导致GC难以插入安全点。
• 大型 System.arraycopy() 调用： System.arraycopy() 是一个JNI（Java Native Interface）调用，它在执行期间不会检查安全点。如果应用程序频繁或长时间地执行大型数组复制操作，可能导致GC安全点同步延迟。
• 大量处于 RUNNING 状态的线程： 即使没有锁竞争，如果系统中存在大量处于 RUNNING 状态的线程，JVM在尝试将所有线程带到安全点时，也需要更多的时间来暂停它们。

3. 利用JVM诊断工具进行安全点分析

针对GC安全点同步延迟，最有效的诊断方法是进行安全点日志分析和线程分析。

• 启用GC日志和安全点日志： 通过JVM参数启用详细的GC日志和安全点日志，例如：

  -Xlog:gc*:file=gc.log:time,level,tags
  -Xlog:safepoint:file=safepoint.log:time,level,tags

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  分析 safepoint.log 可以看到每次安全点暂停的详细信息，包括各个阶段（如 sync、vmop 等）的耗时。如果 sync 阶段耗时异常，则需要进一步排查。

• 线程Dump分析： 在GC暂停发生时或系统出现性能问题时，获取多次线程Dump（例如使用 jstack -l 命令）。分析线程Dump可以帮助识别哪些线程处于阻塞、等待或运行状态，以及它们正在等待哪些锁。虽然不能直接显示“闲置监视器”，但可以揭示高竞争的锁以及长时间持有锁的线程。

• JFR (Java Flight Recorder) 分析： JFR是Oracle JDK提供的一个强大的诊断工具，可以记录JVM内部的各种事件，包括锁事件、GC事件、线程状态变化等。通过JFR，可以更直观地看到哪些锁发生竞争、竞争的频率和持续时间，以及安全点暂停期间的线程活动。

  例如，使用以下命令启动JFR记录：

  java -XX:StartFlightRecording=duration=60s,filename=my_app.jfr -jar my_app.jar

  登录后复制

  然后使用 jvisualvm 或 jmc (Java Mission Control) 打开 my_app.jfr 文件进行分析。JFR可以提供关于锁膨胀、锁竞争和GC暂停的详细数据，帮助识别潜在的瓶颈。

总结

“闲置监视器”是Java监视器内部实现的一个特定概念，指的是那些已膨胀为胖锁但目前未被使用且无等待线程的监视器。大量这类监视器确实可能在极端情况下影响GC安全点同步性能。然而，在诊断GC同步延迟时，应采取系统性的方法，首先排除更常见的因素，如长时间运行的JNI调用、不合理的长循环或过多的活跃线程。利用JVM提供的诊断工具，如安全点日志和JFR，是定位和解决此类性能问题的关键。通过深入理解JVM的内部机制和有效的诊断手段，可以更准确地识别并优化应用程序的并发瓶颈。

以上就是深入理解Java监视器、锁膨胀与GC安全点同步延迟的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！