JVM Bug:多个线程持有一把锁_JVM_李嘉鹏

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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)。

复制代码

  
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 JNI
VM_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:

复制代码

  
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。

复制代码

  
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:

复制代码

  
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:

复制代码

  
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<MonitorInfo*>* 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 <owner is scalar replaced> (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。

复制代码

  
//  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：

复制代码

  
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：

复制代码

  
 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：

复制代码

  
...
{
   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：

复制代码

  
JavaThreadBlockedOnMonitorEnterState jtbmes(jt, this);

找到其实现位置：

复制代码

  
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：

复制代码

  
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：

复制代码

  
   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：

复制代码

  
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：

复制代码

  
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：

复制代码

  
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：

复制代码

  
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：

复制代码

  
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。

感谢郭蕾对本文的审校和策划。

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	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;
	}


	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;
	}
	}
	...
	}


	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();
	}


	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;
	}
	}


	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<MonitorInfo> 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 <owner is scalar replaced> (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);
	}
	}
	}
	}


	// 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)


	enum { locked_value = 0,//00
	unlocked_value = 1,//01
	monitor_value = 2,//10
	marked_value = 3,//11
	biased_lock_pattern = 5 //101
	};


	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);
	}


	...
	{
	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);
	}
	...


	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;
	}


	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";
	};
	}


	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();)
	}
	...
	}


	inline static bool do_call_back() {
	return (_state != _not_synchronized);
	}


	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()) ;
	}

创作场景

JVM Bug: 多个线程持有一把锁

JVM 线程 dump Bug 描述

jstack 命令的整个过程

VMThread 执行任务的过程

线程 dump 中的 VM_PrintThreads 过程

markOop 是什么

线程设置等待的监控对象的时机

水落石出

Bug 修复

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