第二章：Java并发机制的底层实现原理

悠悠 2022-05-08 13:16 162阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、volatile的应用
 *   *  volatile的定义与实现原理
     *  volatile的使用优化
 *  二、Synchronized的实现原理和应用
 *   *  Java对象头
     *  锁的升级与对比
     *   *  锁的优缺点与对比
     *  Java如何实现原子操作

# 一、volatile的应用 #

volatile是轻量级的synchronized，在多线程中保证了共享变量的"可见性"。如果volatile变量修饰符使用恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度；

## volatile的定义与实现原理 ##

volatile修饰的共享变量，在多核处理器下会引发两件事情：

*  将当前处理器缓存航的数据写会到系统内存
 *  这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到缓存后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。同时其他处理器会将缓存中该变量的数据置为无效(缓存一致性协议)，从内存中重新读取；

## volatile的使用优化 ##

举例：  
队列集合：LinkedTransferQueue 使用追加字节的方式优化队列的出队和入队性能；

并不是所有的使用volatile的变量都应该追加到64个字节：  
追加字节，与处理器的缓存行处理字节数相关，有些处理器的缓存行是32个字节宽，就没有必要增加字节；  
如果共享变量不会被频繁的写，锁几率非常小，也没有必要通过追加字节的方式来避免相互锁定；

# 二、Synchronized的实现原理和应用 #

synchronized实现同步的基础，Java中的每一个对象都可以作为锁，具体表现为下面三种形式：

*  对于普通同步方法，锁时当前实力对象
 *  对于静态同步方法，锁时当前类的Class对象
 *  对于同步方法块，锁时Synchronized括号里配置的对象

## Java对象头 ##

synchronized用的锁是存储在对象头中的；如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字节宽存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2个字节宽存储对象头；

## 锁的升级与对比 ##

JavaSE1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了"偏向锁"和"轻量级锁"；在JavaSE1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级；  
锁可以升级，但不能降级，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率；

### 锁的优缺点与对比 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>锁</th> 
   <th>优点</th> 
   <th>缺点</th> 
   <th>适用场景</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>偏向锁</td> 
   <td>加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距</td> 
   <td>如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗</td> 
   <td>适用于只有一个线程访问同步块场景</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>轻量级锁</td> 
   <td>竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度</td> 
   <td>如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU</td> 
   <td>追求响应时间，同步块执行速度非常快</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>重量级锁</td> 
   <td>线程竞争不适用自旋，不会消耗CPU</td> 
   <td>线程阻塞，响应时间慢</td> 
   <td>追求吞吐量，同步块响应时间长</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## Java如何实现原子操作 ##

*  使用CAS实现原子操作  
    JDK并发包里提供了一些使用CAS支持原子操作的类，如：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，同时提供了有用的工具方法，比如自增、自减；
 *  使用锁机制实现原子操作