HotSpot のロック: A Peek Under the Hood [JJUG ナイトセミナ JVM 特集２０１５年８月]

HotSpot のロック
A Peek Under the Hood
David Buck
日本オラクル
JJUG ナイトセミナ JVM特集

自己紹介
バックデイビッド
• Java SE サステイニングエンジニアリング
• JVM のバグを直す人
• 趣味：プログラミング

予定
• はじめに
• Java ロックの復習
• HotSpot のロックの実装
• プロファイリング＆チューニング
• その他

カバーする内容
synchronized(this) {
c++;
}

カバーする内容
3: monitorenter
4: aload_0
5: dup
6: getfield #2 // Field c:I
9: iconst_1
10: iadd
11: putfield #2 // Field c:I
14: aload_1
15: monitorexit

カバーしない内容
• ロックの使い方

• java.util.concurrent (JSR-166)

• java.util.concurrent (JSR-166)
• Java のメモリ・モデル

目標
• 無理やり最適化を防ぐ

目標
• プロファイリング・チューニング

目標
• プロファイリング・チューニング
• 面白い！

言語レベルでマルチスレッド

（排他制御）
Mutual Exclusion

（排他制御）
Mutual Exclusion
Mut ex

（排他制御）
Mutual Exclusion
Mutex

条件変数
（condition variable）
"Puffin crossing, London, UK" by secretlondon is licensed under CC BY-SA 3.0

Monitor = Mutex + 条件変数

• Mutex
– synchronized キーワード

• Mutex
– synchronized キーワード
• 条件変数
– Object.wait()
– Object.notify()
– Object.notifyAll()

再帰的
public synchronized void increment() {
c++;
printValue();
}
public synchronized void printValue() {
System.out.println("My value is: " + c);
}

メモリモデル
happens-before （前に発生）関係

public class NoSync {
private int c = 0;
public void increment() {
c++;
}
}

public void increment();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: dup
5: iconst_1
6: iadd
10: return

ブロックの例
public void increment() {
synchronized(this) {
c++;
}
}

ブロックの例
public void increment();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
0: aload_0
1: dup
2: astore_1
3: monitorenter
4: aload_0
5: dup
9: iconst_1
10: iadd
14: aload_1
15: monitorexit
16: goto 24
19: astore_2
20: aload_1
21: monitorexit
22: aload_2
23: athrow
24: return
Exception table:
from to target type
4 16 19 any
19 22 19 any

メソッドの例
public synchronized void increment() {
c++;
}

メソッドの例
public synchronized void increment();
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
Code:
0: aload_0
1: dup
5: iconst_1
6: iadd
10: return

Java 言語で表現出来ない
public void lockMe();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1,
args_size=1
0: aload_0
1: monitorenter
2: return
public void unlockMe();
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1,
args_size=1
0: aload_0
1: monitorexit
2: return

Java バイトコード
表現力
Java 言語

Java Monitor の制限
• テスト不可能

• タイムアウト無し

• キャンセル不可能

• 再帰出来る

• 再帰出来る
• リーダー/ライターに分けることが不可能

• 再帰出来る
• リーダー/ライターに分けることが不可能
• セキュリティの問題

設計の方針
• すべてのオブジェクトが Monitor を持つ
• 殆どのオブジェクトが利用しない
• 利用しても、複数のスレッドからのアクセスが
珍しい
• 複数のスレッドからアクセスがあっても、競合
が珍しい

ロックの種類
• Fat
• Thin
• Biased

Fat ロック
• OS のスケジューリングに任せる
• 得意ケース：待ち時間が高い
• 別名：Heavyweight lock, inflated ロック

Thin ロック
• ロック取得出来るまでスピンする
• 得意ケース：待ち時間が短い
• 別名：spin lock, stack lock (HS), lightweight
lock

Biased ロック
• 一本のスレッドが独占する
• 違うスレッドが bias を revoke する場合がある

BiasedLock の revoke
• Bias を持つスレッドの停止(STW)
• 本当の状態の確認（スタックウォーキング）

BiasedLock の禁止
• オブジェクトレベル
• クラスレベル
• 起動中の処理

各オブジェクトで管理するデータ
• フィールドのデータ
• Monitor の状態
• GC のデータ（Age など）
• Hash コード

オブジェクトヘッダー
フィールドのデータ
クラスポインター
マークワード

忙しいマークワード
マークワード
Hashcode GC データ Monitor

00データ

Thin Locked
00移動されたヘッダーの参照

Inflating
00NULL

ロックされていない
Biased Locking 不可能
01未使用 0
Age /
CMS
Hashcode

Biased
01未使用 1
Age /
CMS
スレッドのID と Epoc

Fat Locked
01Monitor の参照

GC 実行中（STW）
11GC 用

Lock Record
コピーされたマークワード
オブジェクト参照

Lock Record
コピーされたマークワード
01
Age /
CMS
Hash
code
スレッドのスタック

Thin Lock
01
Age /
CMS
Hash
code
参照 00
スレッドのスタックオブジェクト

Thin Lock （再帰的）
01
Age /
CMS
Hash
code
フィルドのデータ
参照 00
未使用

Fat Lock
参照 00
11未使用
ObjectMonitor
01
Age /
CMS
Hash
code

プロファイリング＆チューニング

プロファイリング
問題点：パフォーマンスのインパクト

プロファイリング
• Performance Counters
• DTrace
• Java Flight Recorder

Performance Counters
• パフォーマンスへのインパクトなし
• 正式にサポートされていない
• HotSpot の開発者向けの情報
• 例：
jstat -snap -J-Djstat.showUnsupported=true
<JVM_PID> |grep _sync

DTrace
• 高い柔軟性
• D 言語の理解が不可欠
• サポートされている OS
– Solaris
– Oracle Linux
– OSX
• -XX:+DTraceMonitorProbes が必要

DTrace
ロック系のプローブ
• monitor-contended-enter
• monitor-contended-entered
• monitor-contended-exit

DTrace
条件変数系のプローブ
• monitor-wait
• monitor-waited
• monitor-notify
• monitor-notifyAll

Java Flight Recorder
• 無料（開発・評価）
• サポート： OracleJDK のすべての OS

設定
• PrintConcurrentLocks
• UseBiasedLocking
• DTraceMonitorProbes
• BiasedLockingStartupDelay
• PrintBiasedLockingStatistics
• TraceBiasedLocking
• TraceMonitorInflation
• MonitorInUseLists
• TraceMonitorMismatch
• UseHeavyMonitors
• BiasedLockingBulkRebiasThreshold
• BiasedLockingBulkRevokeThreshold
• BiasedLockingDecayTime
• SyncKnobs

PrintConcurrentLocks
• java.util.concurrent のロックがスレッドダンプ
で表示される

UseBiasedLocking
• Biased ロックを無効にする
• ロック競合が激しい環境は試す価値がある

Concurrent Programming in Java™:
Design Principles and Patterns
• JDK 1.2のごろ
– JSR-133 なし
– JSR-166 なし
• 設計が注目される
• クラシック

Java Concurrency in Practice
• JDK 1.6 ごろ
– JSR-133 あり
– JSR-166 あり
• 一冊しか読む余裕な
い方：これ！

まとめ
• JVM に任せよう
• Monitor で実現出来ない時、
java.util.concurrent を利用しよう
• プロファイリング： JFR か DTrace
– 要注意：パフォーマンスへのインパクト
• CPiJ と JCiP を読むべき

ありがとうございます

参照
• [ jstat man page ]
https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/jstat.html
• [ DTrace Probes in HotSpot VM ]
http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/dtrace.html
• [ JMC Tutorial ]
http://hirt.se/blog/?p=611
• [ David Dice's Weblog ]
https://blogs.oracle.com/dave/
• [ HotSpot Internals ]
https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/Main

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