从汇编代码开始全面解析synchronized还原最真实的偏向锁

void TemplateTable::monitorenter() {
  transition(atos, vtos);
  // 检查对象是否为null,此时对象存在rax寄存器中
  __ null_check(rax);
  // rbp是堆栈寄存器，通常指向栈底
  // 栈帧中存在一个monitor数组用于保存锁相关信息,又叫lockRecord(后面都统称为lockRecord)
  // frame::interpreter_frame_monitor_block_top_offset和frame::interpreter_frame_initial_sp_offset 
  // 表示monitor top 和monitor bot偏移量
  // Address(x, j)表示距离x地址j偏移量的地址
  // 所以这里声明的两个变量我们可以简单理解为栈帧中的monitor top 和monitor bot地址
  const Address monitor_block_top(
        rbp, frame::interpreter_frame_monitor_block_top_offset * wordSize);
  const Address monitor_block_bot(
        rbp, frame::interpreter_frame_initial_sp_offset * wordSize);
  const int entry_size = frame::interpreter_frame_monitor_size() * wordSize;
  Label allocated;
  // 初始化c_rarg1寄存器中的值(这里本质是一个异或运算)
  __ xorl(c_rarg1, c_rarg1); // points to free slot or NULL
  // 这部分代码逻辑是循环从lockRecord数组中找到一个空的槽位,并将其放入c_rarg1寄存器中
  {
    Label entry, loop, exit;
    __ movptr(c_rarg3, monitor_block_top); 
    __ lea(c_rarg2, monitor_block_bot); 
    // 直接跳到entry标签位
    __ jmpb(entry);
    // 绑定loop标签开始循环
    __ bind(loop);
    // 检查当前LockRecord是否被使用
    __ cmpptr(Address(c_rarg3, BasicObjectLock::obj_offset_in_bytes()), (int32_t) NULL_WORD);
    // 没有被使用则将其放到c_rarg1
    __ cmov(Assembler::equal, c_rarg1, c_rarg3);
    // 检查和当前对象是否一样
    __ cmpptr(rax, Address(c_rarg3, BasicObjectLock::obj_offset_in_bytes()));
    // 如果一样则表示重入，跳出循环
    __ jccb(Assembler::equal, exit);
    // 否则则跳到下一个entry
    __ addptr(c_rarg3, entry_size);
    // 绑定entry标签
    __ bind(entry);
    // 比较c_rarg3与c_rarg2寄存器中的值,即是否相等
    __ cmpptr(c_rarg3, c_rarg2);
    // 若不等则跳到loop继续循环
    __ jcc(Assembler::notEqual, loop);
    __ bind(exit);
  }
  //检测一个空槽位是否被找到(如果是重入则不会跳转会去新申请)
  __ testptr(c_rarg1, c_rarg1);
  //找到则跳到 allocated标签
  __ jcc(Assembler::notZero, allocated); 
  // 如果没有空的slot则申请一个,这里还包括了申请后调整位置的逻辑
  {
    Label entry, loop;
    // 将lockrecord底部的指针放到c_rarg1寄存器中
    __ movptr(c_rarg1, monitor_block_bot); 
    // 计算并移动栈顶和栈底到新位置，均移动entry_size(rsp寄存器指向栈顶)
    __ subptr(rsp, entry_size);            
    __ subptr(c_rarg1, entry_size);        
    // 设置新的栈顶位置和栈底位置分别到c_rarg3寄存器和monitor_block_bot地址上
    __ mov(c_rarg3, rsp);                  
    __ movptr(monitor_block_bot, c_rarg1); 
    // 跳到entry标签——为了先比较下然后开始循环
    // c_rarg1则是新的空slot
    __ jmp(entry);
    __ bind(loop);
    // 这两行是将老栈顶位置的值存到新栈顶位置
    __ movptr(c_rarg2, Address(c_rarg3, entry_size));                                                   
    __ movptr(Address(c_rarg3, 0), c_rarg2);          
    // 推进到下一个位置
    __ addptr(c_rarg3, wordSize);                    
    __ bind(entry);
    __ cmpptr(c_rarg3, c_rarg1);            
    __ jcc(Assembler::notEqual, loop);      
                                            
  }
  // 绑定allocated标签
  __ bind(allocated);
  __ increment(r13);
  // 保存对象到lockRecord中,locrRecord对象有两个属性分别是对象指针和锁
  // BasicObjectLock::obj_offset_in_bytes()也表示偏移量
  __ movptr(Address(c_rarg1, BasicObjectLock::obj_offset_in_bytes()), rax);
  // 加锁方法
  __ lock_object(c_rarg1);
  // 检查以确保该监视器在锁定后不会导致堆栈溢出
  __ save_bcp();  
  __ generate_stack_overflow_check(0);
  // 调用下一个指令
  __ dispatch_next(vtos);
}

//只有两个属性
class BasicObjectLock VALUE_OBJ_CLASS_SPEC {
 private:
  //锁对象
  BasicLock _lock;                                   
  //表示持有锁的对象
  oop       _obj;             
}
//再来看看锁对象——只有一个属性
class BasicLock VALUE_OBJ_CLASS_SPEC {
 private:
  //markword一般保存的是持有锁对象的markword
  volatile markOop _displaced_header;
}

//在interp_masm_x86_64.cpp文件中
void InterpreterMacroAssembler::lock_object(Register lock_reg) {
  assert(lock_reg == c_rarg1, "The argument is only for looks. It must be c_rarg1");
  //判断是否强制使用重锁,默认是false
  if (UseHeavyMonitors) {
    call_VM(noreg,
            CAST_FROM_FN_PTR(address, InterpreterRuntime::monitorenter),
            lock_reg);
  } else {
    //定义完成标签
    Label done;
    const Register swap_reg = rax;
    const Register obj_reg = c_rarg3;
    //声明一些偏移量
    const int obj_offset = BasicObjectLock::obj_offset_in_bytes();
    const int lock_offset = BasicObjectLock::lock_offset_in_bytes ();
    const int mark_offset = lock_offset + BasicLock::displaced_header_offset_in_bytes();
    Label slow_case;
    // 传入的basicObjectLock中的对象地址存到obj_reg中,即c_rarg3寄存器中
    movptr(obj_reg, Address(lock_reg, obj_offset));
    //使用偏向锁
    if (UseBiasedLocking) {
      //偏向锁加锁方法
      biased_locking_enter(lock_reg, obj_reg, swap_reg, rscratch1, false, done, &slow_case);
    }
    //后面的方法是关于偏向锁撤销和升级的,不是本文重点,本文先略过
    movl(swap_reg, 1);
    orptr(swap_reg, Address(obj_reg, 0));
    movptr(Address(lock_reg, mark_offset), swap_reg);
    assert(lock_offset == 0,
           "displached header must be first word in BasicObjectLock");
    if (os::is_MP()) lock();
    cmpxchgptr(lock_reg, Address(obj_reg, 0));
    if (PrintBiasedLockingStatistics) {
      cond_inc32(Assembler::zero,
                 ExternalAddress((address) BiasedLocking::fast_path_entry_count_addr()));
    }
    jcc(Assembler::zero, done);
    subptr(swap_reg, rsp);
    andptr(swap_reg, 7 - os::vm_page_size());
    movptr(Address(lock_reg, mark_offset), swap_reg);
    if (PrintBiasedLockingStatistics) {
      cond_inc32(Assembler::zero,
                 ExternalAddress((address) BiasedLocking::fast_path_entry_count_addr()));
    }
    jcc(Assembler::zero, done);
    bind(slow_case);
    call_VM(noreg,
            CAST_FROM_FN_PTR(address, InterpreterRuntime::monitorenter),
            lock_reg);
    bind(done);
  }
}

//调用的是macroAssembler_x86.cpp中的方法
int MacroAssembler::biased_locking_enter(Register lock_reg,
                                         Register obj_reg,
                                         Register swap_reg,
                                         Register tmp_reg,
                                         bool swap_reg_contains_mark,
                                         Label& done,
                                         Label* slow_case,
                                         BiasedLockingCounters* counters) {
  ......
  bool need_tmp_reg = false;
  //noreg是一个宏,表示空的寄存器
  if (tmp_reg == noreg) {
    need_tmp_reg = true;
    tmp_reg = lock_reg;
  } else {
    assert_different_registers(lock_reg, obj_reg, swap_reg, tmp_reg);
  }
  //定义一些地址,分别是markword,klass和lockRecord中的锁对象地址
  Address mark_addr      (obj_reg, oopDesc::mark_offset_in_bytes());
  Address klass_addr     (obj_reg, oopDesc::klass_offset_in_bytes());
  Address saved_mark_addr(lock_reg, 0);
  // 偏向锁逻辑开始
  // 分支1：查看当前对象是否开启偏向模式
  Label cas_label;
  int null_check_offset = -1;
  //swap_reg_contains_mark传入的是false,表示swap_reg不包括markword地址
  if (!swap_reg_contains_mark) {
    null_check_offset = offset();
    //将对象的markword放入swap_reg
    movl(swap_reg, mark_addr);
  }
  if (need_tmp_reg) {
    push(tmp_reg);
  }
  //将对象的markword放入tmp_reg
  movl(tmp_reg, swap_reg);
  //取其锁标记位(与指令)
  //markOopDesc::biased_lock_mask_in_place=111 这里是取markword的后三位到tmp_reg寄存器中
  andl(tmp_reg, markOopDesc::biased_lock_mask_in_place);
  //判断是否有锁(比较指令)
  //markOopDesc::biased_lock_pattern=101
  cmpl(tmp_reg, markOopDesc::biased_lock_pattern);
  if (need_tmp_reg) {
    pop(tmp_reg);
  }
  //如果不相等则表示没有开启对象偏向模式(即已经是轻量级锁)则跳到cas_label标签到方法末尾
  jcc(Assembler::notEqual, cas_label);
  // 分支2：相等则表示对象markword后三位是101即现在对象是偏向锁模式(但不一定持有偏向锁)
  // 这部分的逻辑是将线程id和epoch信息做比对,判断是否已经持有偏向锁
  movl(saved_mark_addr, swap_reg);
  if (need_tmp_reg) {
    push(tmp_reg);
  }
  //获取线程id
  get_thread(tmp_reg);
  //对象的markword与线程id异或,若线程id部分一样则线程id部分会变成0
  xorl(swap_reg, tmp_reg);
  if (swap_reg_contains_mark) {
    null_check_offset = offset();
  }
  //将klass放入tmp_reg寄存器
  movl(tmp_reg, klass_addr);
  //与klass的markword异或,若两者同位部分一样则同位会变成0,这里是为了判断epoch和锁标志位是否与klass一样
  xorl(swap_reg, Address(tmp_reg, Klass::prototype_header_offset()));
  //设置分代年龄掩码即年龄为0
  andl(swap_reg, ~((int) markOopDesc::age_mask_in_place));
  if (need_tmp_reg) {
    pop(tmp_reg);
  }
  if (counters != NULL) {
    cond_inc32(Assembler::zero,
               ExternalAddress((address)counters->biased_lock_entry_count_addr()));
  }
  //前面已经处理过markword,将其关键信息已经存入swap_reg中,后面只使用swap_reg进行判断
  //如果swap等于0，则表明线程id是本线程id,且epoch和锁标志位都与klass中的一样，即已经偏向本线程，跳到加锁结束
  jcc(Assembler::equal, done);
  //定义撤销偏向锁标签
  Label try_revoke_bias;
  //定义重偏向锁标签
  Label try_rebias;
  //若不等则证明线程id,epoch和锁标志位有不一样的
  //分支3：先判断锁标志位,即判断类的偏向模式是否是关闭
  //test可以理解为与运算
  //因为之前已经判断过对象的是偏向模式,而klass与对象的锁标记位不等，则证明klass对象不是偏向模式
  //如果类偏向模式是关闭，表明正在进行批量撤销偏向锁的行为,即正在进行锁升级
  //所以需要cas替换修复对象的markword,修复成类的markword,跳到撤销标签
  testl(swap_reg, markOopDesc::biased_lock_mask_in_place);
  jcc(Assembler::notZero, try_revoke_bias);
  //分支4：再判断是否是epoch过期，过期则跳到重偏向标签
  testl(swap_reg, markOopDesc::epoch_mask_in_place);
  jcc(Assembler::notZero, try_rebias);
  //分支5：到这里只剩线程id并不是本线程,进行一次cas替换尝试加偏向锁
  //将对象的markword读到swap_reg中
  movl(swap_reg, saved_mark_addr);
  //进行与运算,获取对象markword的锁标志位和age,epoch用来构造一个新的带锁的markword
  andl(swap_reg,
       markOopDesc::biased_lock_mask_in_place | markOopDesc::age_mask_in_place | markOopDesc::epoch_mask_in_place);
  if (need_tmp_reg) {
    push(tmp_reg);
  }
  get_thread(tmp_reg);
  //将线程id也加入到构造的markword中
  orl(tmp_reg, swap_reg);
  //判断是否是多核cpu如果是则加锁——执行Lock命令
  if (os::is_MP()) {
    lock();
  }
  //cas替换对象的对象的markword为刚刚构造的持有锁信息的markword
  //Address(obj_reg, 0)表示对象的markword位置
  cmpxchgptr(tmp_reg, Address(obj_reg, 0));
  if (need_tmp_reg) {
    pop(tmp_reg);
  }
  if (counters != NULL) {
    cond_inc32(Assembler::zero,
               ExternalAddress((address)counters->anonymously_biased_lock_entry_count_addr()));
  }
  //cas不为0则证明偏向我们失败，意味着有另一个线程成功偏向,有竞争
  //则进入slow逻辑，跳转到slow_case标签,执行撤销升级逻辑
  if (slow_case != NULL) {
    jcc(Assembler::notZero, *slow_case);
  }
  //成功证明已经偏向成功,跳转到done标签
  jmp(done);
  //epoch过期，重新偏向标签
  bind(try_rebias);
  if (need_tmp_reg) {
    push(tmp_reg);
  }
  //获取当前线程ID
  get_thread(tmp_reg);
  movl(swap_reg, klass_addr);
  //或运算,以klass的markword为基础和线程id组合构成新的markword
  orl(tmp_reg, Address(swap_reg, Klass::prototype_header_offset()));
  movl(swap_reg, saved_mark_addr);
  if (os::is_MP()) {
    lock();
  }
  //将新构造的markword cas替换 对象的markword
  cmpxchgptr(tmp_reg, Address(obj_reg, 0));
  if (need_tmp_reg) {
    pop(tmp_reg);
  }
  if (counters != NULL) {
    cond_inc32(Assembler::zero,
               ExternalAddress((address)counters->rebiased_lock_entry_count_addr()));
  }
  //偏向失败则证明有另外的线程偏向成功，需要撤销偏向
  if (slow_case != NULL) {
    jcc(Assembler::notZero, *slow_case);
  }
  //跳到结束
  jmp(done);
  //撤销偏向，将对象markword重置为klass(类)的markword
  //这里只有判断类的markword不是偏向标记才会进入，所以会将对象的markword重置为非偏向标记
  bind(try_revoke_bias);
  movl(swap_reg, saved_mark_addr);
  if (need_tmp_reg) {
    push(tmp_reg);
  }
  //获取对象klass的markword
  movl(tmp_reg, klass_addr);
  movl(tmp_reg, Address(tmp_reg, Klass::prototype_header_offset()));
  if (os::is_MP()) {
    lock();
  }
  //用对象klass的markword cas替换对象的markword
  cmpxchgptr(tmp_reg, Address(obj_reg, 0));
  if (need_tmp_reg) {
    pop(tmp_reg);
  }
  //无论cas的结果成功与否，都证明有线程撤销成功，所以继续执行
  if (counters != NULL) {
    cond_inc32(Assembler::zero,
               ExternalAddress((address)counters->revoked_lock_entry_count_addr()));
  }
  bind(cas_label);
  return null_check_offset;
}