本文深入探讨了java虚拟机中监视器（monitor）的工作机制，包括薄锁（thin lock）与胖锁（fat lock）的转换过程。特别关注了“空闲监视器”的概念，阐释了大量空闲胖锁如何可能导致垃圾回收（gc）同步阶段耗时过长的问题。同时，文章提供了诊断此类性能瓶颈的策略，并指出其他常见的gc同步延迟原因，强调通过safepoint profiling进行精准定位的重要性。
Java监视器机制解析
在Java中，每个对象都可以作为监视器，用于实现线程间的同步。监视器是Java并发编程的基石，其内部实现机制对应用程序的性能有着重要影响。Java监视器通常有两种状态：薄锁（Thin Lock）和胖锁（Fat Lock）。
薄锁（Thin Lock） 当一个监视器处于薄锁状态时，其状态信息通常存储在对象头部的几个特定位中。线程尝试获取薄锁时，会使用原子操作（如Compare-And-Swap, CAS）来检查锁是否未被占用，并尝试将其标记为已锁定。如果操作成功，线程便获取了锁并继续执行。薄锁的获取和释放开销极低，是Java并发优化的重要组成部分。
胖锁（Fat Lock）与锁膨胀（Lock Inflation） 当多个线程同时竞争同一个薄锁时，CAS操作会失败，表明发生了锁竞争。此时，JVM需要为该监视器创建一个更复杂的“胖锁”数据结构。这个过程称为“锁膨胀”（Lock Inflation）。胖锁能够存储等待获取锁的线程队列、锁的持有者等额外状态信息。相比于薄锁，胖锁的内存占用更高，且其获取和释放操作也更为复杂和耗时。
锁收缩（Lock Deflation） 为了优化资源利用，JVM会尝试将不再有竞争的胖锁重新转换回薄锁状态，这个过程称为“锁收缩”或“锁紧缩”（Lock Deflation）。然而，JVM通常不会在锁被释放后立即进行收缩，因为这可能导致在短时间内再次发生锁竞争时需要重新膨胀，反而引入额外的开销。因此，JVM会有一个机制来扫描那些当前未被锁定且没有线程等待获取的胖锁，并将它们标记为可收缩。
“空闲监视器”的定义与GC同步阶段影响
在JDK-8153224等相关JVM性能报告中提及的“空闲监视器”，并非指堆中所有未被使用的Java对象，而是特指那些处于胖锁状态、当前未被任何线程持有且没有线程等待获取的监视器。这些“空闲监视器”本质上是等待被收缩的胖锁。
当系统中存在大量此类“空闲监视器”时，JVM的锁收缩机制可能会在垃圾回收（GC）的“同步”（sync）阶段引入显著的延迟。GC的同步阶段要求所有应用线程都到达一个安全点（Safepoint），以便JVM可以安全地执行GC操作。如果锁收缩机制在此时需要处理大量的空闲胖锁，其扫描和处理过程可能会延长所有线程到达安全点所需的时间，从而导致GC暂停时间（特别是“Stopping threads”阶段）显著增加。
诊断GC同步阶段耗时过长的策略
要直接获取系统中“空闲监视器”的具体数量通常是困难的，JVM没有提供直接的API来暴露这个指标。然而，我们可以通过间接的方法来诊断和推断是否是“空闲监视器”导致了GC同步阶段的延迟。
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间接推断场景 如果您的应用程序存在以下特征，则“空闲监视器”问题可能是一个潜在原因：
- 高并发与高竞争: 应用程序中存在大量线程对大量监视器进行频繁的竞争。例如，Twitter的案例中涉及数千个线程和数十万个监视器。
- GC日志显示“Stopping threads”耗时过长: 在GC日志中，如果“Stopping threads”阶段（特别是“sync”部分）的耗时异常长，且与堆大小或GC算法不符，则应考虑此问题。
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其他常见的GC同步阶段延迟原因 在将焦点完全放在“空闲监视器”之前，务必排查其他更常见的导致GC同步阶段耗时过长的因素：
- 长时间运行的循环或计算: 某些应用程序线程可能正在执行长时间的、不可中断的计算循环，导致它们无法及时到达安全点。
- 长时间运行的System.arraycopy()调用: System.arraycopy()在某些情况下可能会被JVM优化为原生操作，如果操作的数据量巨大，也可能导致线程长时间无法响应安全点请求。
- 大量处于RUNNING状态的线程: 系统中存在过多的活跃线程，增加了JVM协调所有线程到达安全点的复杂性和时间。
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关键诊断工具与方法：Safepoint Profiling 最有效的诊断方法是进行Safepoint Profiling。这可以帮助您识别在GC同步阶段是哪个或哪些应用程序线程导致了延迟。
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JVM参数: 可以在JVM启动时添加相关参数来打印Safepoint统计信息，例如：
-XX:+PrintSafepointStatistics -XX:PrintSafepointStatisticsCount=1
这些参数会在GC发生时输出详细的安全点信息，包括每个阶段的耗时，以及哪些线程在等待。
- JFR (Java Flight Recorder): 使用JFR可以收集丰富的运行时数据，包括线程状态、锁事件、GC事件等，通过分析JFR记录，可以直观地看到哪些线程在GC同步阶段花费了大量时间。
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jstack命令: 在GC暂停期间，可以多次运行jstack -l
命令来获取线程栈信息。观察那些长时间处于RUNNING状态或等待状态的线程，特别是那些在GC同步阶段被阻塞的线程，可以帮助定位问题代码。
通过分析Safepoint日志和线程栈，您可以识别出那些在GC同步阶段耗时过长的具体应用程序代码路径。如果发现大量时间耗费在锁相关操作或JVM内部的锁收缩机制上，那么“空闲监视器”问题就值得深入探究。
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JVM参数: 可以在JVM启动时添加相关参数来打印Safepoint统计信息，例如：
总结与建议
“空闲监视器”问题是Java并发编程中一个相对隐蔽但可能影响GC性能的因素。理解薄锁与胖锁的转换机制，以及锁收缩对GC同步阶段的潜在影响，对于优化高并发Java应用至关重要。
在诊断GC同步阶段耗时过长的问题时，应采取系统性的方法：
- 首先排查常见的GC延迟原因，如长时间运行的业务逻辑或过多的活跃线程。
- 利用Safepoint Profiling工具（如JFR、JVM Safepoint统计日志、jstack）来精确识别导致延迟的线程和代码路径。
- 如果诊断结果指向大量的锁竞争或JVM内部的锁处理机制，则可以进一步考虑优化应用程序的并发策略，减少不必要的锁竞争，或者审视是否确实存在大量频繁膨胀和收缩的监视器。
通过深入理解和恰当的诊断工具，可以有效地定位并解决Java应用程序中由监视器机制引发的性能瓶颈。
