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:
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。
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