JDK19 - synchronized关键字导致的虚拟线程PINNED

news2024/10/1 15:18:07

JDK19 - synchronized关键字导致的虚拟线程PINNED

  • 前言
  • 一. PINNED是什么意思
    • 1.1 synchronized 绑定测试
    • 1.2 synchronized 关键字的替代
  • 二. -Djdk.tracePinnedThreads的作用和坑
    • 2.1 死锁案例测试
    • 2.2 发生原因的推测
    • 2.3 总结

前言

在 虚拟线程详解 这篇文章里面，我们详解了虚拟线程的一个执行原理和底层执行顺序。那么这里我们分享一下一个使用虚拟线程的坑点。

一. PINNED是什么意思

PINNED指的是绑定，意思是虚拟线程无法在阻塞操作期间卸载，而被固定到其运载线程。 JEP425给出的说明中，提到了两种发生pinned的情况：

在这里插入图片描述

  1. 当调用的代码中被synchronized关键字修饰。
  2. 执行native method或foreign function。

1.1 synchronized 绑定测试

案例代码：

public class Main {
    /**
     * 用于测试同步锁的对象
     */
    private static volatile Object instance = new Object();
    /**
     * 用于格式化时间
     */
    private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    /**
     * 执行任务
     */
    private static void runTask(int threadNum) {
        realRunTask(threadNum);
    }

    /**
     * 执行任务（加锁）
     * @param threadNum
     */
    private static void runTaskWithSynchronized(int threadNum) {
        synchronized (instance) {
            realRunTask(threadNum);
        }
    }

    // Calendar 转 yyyy-MM-dd HH:mm:ss
    public static String format(Calendar calendar) {
        return sdf.format(calendar.getTime());
    }

    private static void realRunTask(int threadNum) {
        System.out.printf("%s|Test is start ThreadNum is %s %s%n", Thread.currentThread(), threadNum, format(Calendar.getInstance()));
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (Exception e) {

        }
        System.out.printf("%s|Test is Over ThreadNum is  %s %s%n", Thread.currentThread(), threadNum, format(Calendar.getInstance()));
    }

    private static ExecutorService getExecutorService(boolean isVirtualThread, boolean useThreadPool) {
        if (useThreadPool) {
            return new ThreadPoolExecutor(50, 50, 1, TimeUnit.MINUTES,
                    new ArrayBlockingQueue<>(100000),
                    isVirtualThread ? Thread.ofVirtual().factory() : Thread.ofPlatform().factory());
        } else {
            ThreadFactory factory = isVirtualThread ?
                    Thread.ofVirtual().name("This-Test-Virtual-Thread-", 0).factory() : Thread.ofPlatform().name(
                    "This-Test-Platform-Thread-", 0).factory();
            return Executors.newThreadPerTaskExecutor(factory);
        }
    }

    /**
     * -Djdk.tracePinnedThreads=full
     * -Djdk.virtualThreadScheduler.parallelism=1
     * -Djdk.virtualThreadScheduler.maxPoolSize=1
     * -Djdk.virtualThreadScheduler.minRunnable=1
     *
     * -Djdk.tracePinnedThreads=full -Djdk.virtualThreadScheduler.parallelism=1 -Djdk.virtualThreadScheduler.maxPoolSize=2 -Djdk.virtualThreadScheduler.minRunnable=1
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ExecutorService executorService = getExecutorService(true, false);
        Future task1 = executorService.submit(() -> runTaskWithSynchronized(1));
        Future task2 = executorService.submit(() -> runTask(2));
        executorService.close();
        task1.get();
        task2.get();
    }
}

分析：

  1. 我们有用于测试同步锁的对象instance，专门拿来给synchronized关键字用的。
  2. 两种执行任务方式：一种普通的，一种加锁的。
  3. 执行的任务做了什么：睡眠了一秒钟，并且打印相关数据。
  4. 我们同时启动两个task，看看最终的结果是什么。

我们在启动之前，给Main函数添加一些参数：

  1. -Djdk.tracePinnedThreads=full：开启对虚拟线程的跟踪。设置为"full"表示输出详细的虚拟线程信息，包括线程ID、状态和执行时间等。这样被pinned的时候，我们就可以通过打印的信息观察到了 （后面有惊喜）

  2. -Djdk.virtualThreadScheduler.parallelism=1：这个参数指定了虚拟线程调度器的并行度。并行度表示同时执行虚拟线程的最大数量。在这里，设置为1表示只允许一个虚拟线程同时执行。

  3. -Djdk.virtualThreadScheduler.maxPoolSize=1：这个参数指定了虚拟线程调度器的最大线程池大小。线程池是用于存放虚拟线程的容器。在这里，设置为1表示线程池的大小为1，即最多只能容纳一个虚拟线程。

  4. -Djdk.virtualThreadScheduler.minRunnable=1：这个参数指定了虚拟线程调度器的最小可运行虚拟线程数。当虚拟线程池中的可运行线程数低于这个值时，调度器会尝试创建新的虚拟线程以填充线程池。在这里，设置为1表示最小可运行线程数为1。

我们设置可执行的线程数为1：maxPoolSize=1

-Djdk.tracePinnedThreads=full -Djdk.virtualThreadScheduler.parallelism=1 -Djdk.virtualThreadScheduler.maxPoolSize=1 -Djdk.virtualThreadScheduler.minRunnable=1

那么此时由于最大只有一个可执行线程，因此按照逻辑顺序，应该是带有synchronized关键字的task1先执行，再执行task2。而因为task1被synchronized关键字修饰，因此线程被pinned：
在这里插入图片描述

我们设置可执行的线程数为2：maxPoolSize=2 ，那么此时两个任务可以同时提交，但是task1被synchronized关键字修饰，因此线程同样被pinned：

-Djdk.tracePinnedThreads=full -Djdk.virtualThreadScheduler.parallelism=1 -Djdk.virtualThreadScheduler.maxPoolSize=2 -Djdk.virtualThreadScheduler.minRunnable=1

在这里插入图片描述
注意：这两个返回结果的顺序是不一样的！

从上面的结果上来看，直观的结论就是：

  1. 如果执行代码中包含了synchronized关键字，那么这个线程将会被pinned。即任务1所在的虚拟线程无法卸载，而是被固定到了运载线程。
  2. 哪怕两个任务是“同时”提交，也会优先将任务1（被pinned的线程）执行完毕，再去启动任务2。因为任务2只能等待任务1执行完毕才能够继续执行。
  3. 那么也就失去了异步的一个概念了。

那么针对这种情况，我们如何解决？官方建议是使用Synchronized关键字的地方可以利用其他锁，比如重入锁来替代。

1.2 synchronized 关键字的替代

我们再写一个函数：

private static void runTaskWithReentrantLock(int threadNum) {
    ReentrantLock reentrantLock = new ReentrantLock();
    reentrantLock.lock();
    try {
        realRunTask(threadNum);
    } catch (Exception e) {
    } finally {
        reentrantLock.unlock();
    }
}

同时将maxPoolSize 重新设置为1，然后启动的时候变更如下：

public static void main(String[] args) throws Exception{
    ExecutorService executorService = getExecutorService(true, false);
    Future task1 = executorService.submit(() -> runTaskWithReentrantLock(1));
    Future task2 = executorService.submit(() -> runTask(2));
    executorService.close();
    task1.get();
    task2.get();
}

结果如下：可见，哪怕我们可执行的线程只有1个，但是两个任务也几乎是同时并发执行的。同时pinned的情况也不复存在。
在这里插入图片描述

二. -Djdk.tracePinnedThreads的作用和坑

我们先来说下这个参数的作用吧。在上文中，我们使用了-Djdk.tracePinnedThreads参数来打印虚拟线程pinned时相关的堆栈信息。让我们非常直观的观察到pinned的行为。

那么试想一下，我们为了去使用虚拟线程这个新特性，而进行JDK的升级。这个升级难以避免的是带来一定的风险。例如上文的synchronized关键字。它的存在可能导致你的虚拟线程无法被卸载，而进入pinned状态。那么，你的代码又有哪些隐藏的风险需要你关注呢？

  • 你的代码中是否有显式地使用synchronized关键字？
  • 你引入的外部第三方依赖中，内部操作是否同样地使用了synchronized关键字？

前者我们可以通过全局搜索，自己去在项目里面解决，但是要命的是后者，你很难做到全面排查所有的第三方依赖对synchronized关键字的使用情况。那么我们就可以增加这个参数去打印可能发生的pinned情况，一旦有，我们就可以通过堆栈信息去定位代码，然后解决。

-Djdk.tracePinnedThreads=full

但是这个情况仅仅适用于本地开发或者是测试环境的灰度阶段，并不适合发到生产。为什么呢？因为这个VM参数同样可能导致虚拟线程不可用，发生死锁。这是本文想分享的第二个重点。

2.1 死锁案例测试

添加两个依赖：

<dependency>
    <groupId>org.apache.httpcomponents</groupId>
    <artifactId>httpclient</artifactId>
    <version>4.5.13</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>commons-logging</groupId>
    <artifactId>commons-logging</artifactId>
    <version>1.2</version>
</dependency>

贴出代码：

public class LockTest {
    /**
     * 平台线程数
     */
    static int PLATFORM_THREAD_COUNT;
    /**
     * 虚拟线程数
     */
    static int VIRTUAL_THREAD_COUNT;
    static CloseableHttpClient client;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        PLATFORM_THREAD_COUNT = 1;
        VIRTUAL_THREAD_COUNT = PLATFORM_THREAD_COUNT + 1;
        // 替换为这个即可解决死锁
        // VIRTUAL_THREAD_COUNT = PLATFORM_THREAD_COUNT;
        // 初始化apache http client
        client = initClient();
        // 设置虚拟线程池大小，最大线程数，最小可运行线程数 为平台线程数
        String strSize = Integer.toString(PLATFORM_THREAD_COUNT);
        System.setProperty("jdk.virtualThreadScheduler.parallelism", strSize);
        System.setProperty("jdk.virtualThreadScheduler.maxPoolSize", strSize);
        System.setProperty("jdk.virtualThreadScheduler.minRunnable", strSize);
        // 启动测试
        test();
    }

    public static void test() throws Exception {
        // 设置栅栏数为虚拟线程数
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(VIRTUAL_THREAD_COUNT);
        // 启动对应数量的虚拟线程任务
        for (int j = 0; j < VIRTUAL_THREAD_COUNT; j++) {
            Thread.ofVirtual().start(() -> apachePoolingHttpClient(client, countDownLatch));
        }
        // 如果任务没有执行完毕，等待，会循环打印等待信息
        while (countDownLatch.getCount() != 0) {
            System.out.println("waiting " + countDownLatch.getCount());
            Thread.sleep(2000);
        }
        // 只有虚拟线程执行完毕，才会执行下面的代码
        System.out.println("end success");
    }

    /**
     * 初始化apache http client，没什么好看的
     *
     * @return
     */
    private static CloseableHttpClient initClient() {
        PoolingHttpClientConnectionManager poolingConnManager = new PoolingHttpClientConnectionManager();
        poolingConnManager.setMaxTotal(PLATFORM_THREAD_COUNT);
        return HttpClients.custom()
                .setConnectionManager(poolingConnManager)
                .build();
    }

    /**
     * apache http client 发送请求，关注点在最后一行代码，执行IO完毕，会调用countDownLatch.countDown()，表示当前虚拟线程执行完毕
     */
    private static void apachePoolingHttpClient(CloseableHttpClient client, CountDownLatch countDownLatch) {
        HttpGet request = new HttpGet("https://www.google.com");
        try (CloseableHttpResponse execute = client.execute(request)) {
            StatusLine statusLine = execute.getStatusLine();
            System.out.println(statusLine.getStatusCode());
        } catch (Throwable e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            countDownLatch.countDown();
        }
    }
}

分析如下：

  1. 我们设置平台线程数为1个，虚拟线程数为2个。然后启动两个虚拟线程任务。
  2. 启动任务之前，我们初始化了一个栅栏CountDownLatch，总数为2。如果这个数量不为0，那么就会循环打印waiting信息。
  3. 每个任务会进行网络IO，等待IO结束的时候，会触发countDownLatch.countDown();
  4. 直到两个任务都执行完毕，才会停止循环，打印end success

运行结果如下：无限打印2，可见发生了死锁。在这里插入图片描述

值得注意的是：

  1. 虚拟线程发生的死锁，常规的检测工具是检测不出来的。jstack和jconsole我都试过了。
  2. 我们只能从结果的现象发现：两个虚拟线程都无法结束，这个循环会永远的进行下去。

2.2 发生原因的推测

而这个打印堆栈的功能和-Djdk.tracePinnedThreads这个VM参数息息相关。

我们全局搜索这个参数：

private static final int TRACE_PINNING_MODE = tracePinningMode();

private static int tracePinningMode() {
   String propValue = GetPropertyAction.privilegedGetProperty("jdk.tracePinnedThreads");
   if (propValue != null) {
       if (propValue.length() == 0 || "full".equalsIgnoreCase(propValue))
           return 1;
       if ("short".equalsIgnoreCase(propValue))
           return 2;
   }
   return 0;
}

可以看到，只要设置了这个参数，这个返回值就是大于0的。还记得我在 虚拟线程详解 这篇文章里面提到的VThreadContinuation吗。那么我们再看看虚拟线程底层对Continuation的封装：这里面重写了一个onPinned函数，也就是说，发生pinned的时候，打印相关的堆栈信息

private static class VThreadContinuation extends Continuation {
    VThreadContinuation(VirtualThread vthread, Runnable task) {
        super(VTHREAD_SCOPE, () -> vthread.run(task));
    }
    @Override
    protected void onPinned(Continuation.Pinned reason) {
        if (TRACE_PINNING_MODE > 0) {
            boolean printAll = (TRACE_PINNING_MODE == 1);
            PinnedThreadPrinter.printStackTrace(System.out, printAll);
        }
    }
}

我们往下跟进：

static void printStackTrace(PrintStream out, boolean printAll) {
    List<LiveStackFrame> stack = STACK_WALKER.walk(s ->
        s.map(f -> (LiveStackFrame) f)
                .filter(f -> f.getDeclaringClass() != PinnedThreadPrinter.class)
                .collect(Collectors.toList())
    );

    // find the closest frame that is causing the thread to be pinned
    stack.stream()
        .filter(f -> (f.isNativeMethod() || f.getMonitors().length > 0))
        .map(LiveStackFrame::getDeclaringClass)
        .findFirst()
        .ifPresent(klass -> {
            int hash = hash(stack);
            Hashes hashes = HASHES.get(klass);
            synchronized (hashes) {
                // print the stack trace if not already seen
                if (hashes.add(hash)) {
                    printStackTrace(stack, out, printAll);
                }
            }
        });
}
private static void printStackTrace(List<LiveStackFrame> stack,
                                        PrintStream out,
                                        boolean printAll) {
    out.println(Thread.currentThread());
    for (LiveStackFrame frame : stack) {
        var ste = frame.toStackTraceElement();
        int monitorCount = frame.getMonitors().length;
        if (monitorCount > 0 || frame.isNativeMethod()) {
            out.format("    %s <== monitors:%d%n", ste, monitorCount);
        } else if (printAll) {
            out.format("    %s%n", ste);
        }
    }
}

看到没，上面有一个synchronized 关键字，里面的代码也是一个IO打印。

  1. 结合上下文来看，我们知道，在虚拟线程中，如果有IO阻塞，那么Loom会调用park()进行yield调用。
  2. 我们假设虚拟线程A抢到了锁。然后调用了IO相关的函数，因此进入yield（第一点）。
  3. 而众所周知，调用yield是不会释放锁的。那么虚拟线程B抢不到锁，由于synchronized关键字的作用，状态进入pinned。导致无法卸载，固定在运载线程。
  4. 那么运载线程被占用，卡在这，所以程序永远无法执行完毕。

最后，如果把下面的这行代码：

VIRTUAL_THREAD_COUNT = PLATFORM_THREAD_COUNT + 1;

替换成：

VIRTUAL_THREAD_COUNT = PLATFORM_THREAD_COUNT;

就不会产生死锁的情况了
在这里插入图片描述
执行结果如下：
在这里插入图片描述

2.3 总结

进行虚拟线程的代码改造的时候，我们要注意一个点：

  1. synchronized关键字对虚拟线程pinned的副作用，我们要考虑到如何兼容和更改，可以使用重入锁进行替代。
  2. 由于这个synchronized关键字我们难以排查完全，我们可以增加-Djdk.tracePinnedThreads参数信息打印pinned发生时候的堆栈信息，助于我们排查，但是这个操作建议只在本地或者测试环境进行。因为他可能会导致你的程序发生死锁。
  3. 建议测试环境进行灰度测试，保证pinned的情况不再发生的时候，可以再发到生产环境进行灰度。

最后的最后，附上堆栈信息的获取方式：

  1. 输入命令jps，找到你自己运行程序的pid。
  2. 输入jstack命令：jstack -l 你自己的pid > 1.txt。这样就可以在这个文本中看到发生死锁时候的堆栈信息了。

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