Java并发机制的底层实现原理

分手后的思念是犯贱 2022-12-01 12:25 171阅读 0赞

#### 一、volatile ####

> volatile 是轻量级的 synchronized ，它在多处理器开发中保证了共享变量的可见性，可见性是指当一个线程修改一个共享变量时，另一个线程能读到这个修改的值；

##### 1 . 定义 #####

> Java 编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确个一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。如果一个字段被声明称 volatile，Java内存模型确保所有线程所看到的这个变量的值是一致的。

##### 2 . 实现原则 #####

> （1）**LOCK 前缀指令会引起处理器缓存回写到内存**  
> （2）**一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效**

#### 二、synchronized ####

##### 1 . 实现同步的基础：Java中每个对象都可以作为锁 #####

>  *  对于普通同步方法，锁是当前同步对象；
>  *  对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象；
>  *  对于同步方法块，锁是 Syncgronized 括号里配置的对象；

##### 2 . 实现原理 #####

> JVM 基于进入和退出 Monitor 对象来实现**方法同步**和**代码块同步**，代码块同步是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，monitorenter 指令事再编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit 是插入到方法结束处和异常处；

##### 3 . 锁的升级与对比 #####

> 锁一共有四种状态，级别从低到高依次是：无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态和重量级锁状态，状态会随着竞争的增加而升级。但是锁可以升级但是不能降级，其目的是为了提高获得锁和释放锁的效率；

###### （1）偏向锁 ######

> 当一个线程访问同步块时，会在对象头和栈帧中的所记录里存储偏向锁偏向的线程 ID ，以后该线程再进入和退出同步块时不需要进行 CAS 操作来加锁和解锁，只需要简单的测试一下对象头的 Mark Word 里是否储存指向当前线程的偏向锁

###### （2）轻量级锁 ######

> **轻量级锁加锁** ：线程执行同步块之前， JVM 会先在当前线程的栈帧中创建用于储存所记录的空间，并将对象头中的 Mark Word 复制到所记录中，然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 Mark Word 替换为锁的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁；  
> **轻量级解锁** ：解锁时使用原子的 CAS 操作将 Displaced Mark Word 替换回到对象头，如果成功，表示没有竞争发生，如果失败，表示当前所存在竞争，锁回膨胀成重量级锁

###### （3）锁的优缺点 ######

<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>加锁解锁开销低</td> 
   <td>线程竞争增加锁撤销消耗</td> 
   <td>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，提高程序相应速度</td> 
   <td>得不到锁的竞争线程会自旋消耗 CPU</td> 
   <td>追求响应时间和执行速度的场景</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>重量级锁</td> 
   <td>线程竞争不使用自旋，不会消耗 CPU</td> 
   <td>竞争线程阻塞，响应时间缓慢</td> 
   <td>追求吞吐量和同步块执行速度较长</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 三、原子操作的实现原理 ####

##### 1 . 处理器实现原子操作 #####

> 处理器使用基于**缓存锁**和**总线锁**的方式来实现来实现多处理器之间的原子操作；

###### （1）使用总线锁保证原子性 ######

> **总线锁** ：使用处理器提供的一个 LOCK \# 信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住，那么该处理器可以单独共享内存；

###### （2）使用缓存所保证原子性 ######

> **缓存锁定**是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存形中，而且在 Lock 操作期间被锁定，那么当它执行锁操作回写到内存时，处理器不在总线上声言 LOCK \# 信号，而不是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为，缓存一致性会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时，会使缓存无效；

##### 2. Java 如何实现原子操作 #####

> Java 通过**锁**和**循环 CAS** 的方式来实现原子操作

###### （1）使用循环 CAS 来实现原子操作 ######

> JVM 中的 CAS 操作利用了处理器提供的 CMPXCHG 指令实现，自旋 CAS 实现的基本思路为循环进行 CAS 操作直到成功为止，从 Java 5 开始，JDK 并发包中提供了一些类如：AtomicBoolean ，AtomicInteger 和 AtomicLong；来支持原子操作 ；

###### （2）CAS 实现原子操作的三大问题 ######

> **ABA 问题** ：解决思路为使用版本号，每次更新的时候版本号加一，就会变成：1A-2B-3A；从Java 5 开始 JDK Atomic 包中提供了类AtomicStampedReference 来解决 ABA 问题，该类的 compareAndSet 方法会先检查当前引用是否是预期引用，当前标志是否是预期标志，如果都相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值；

> **循环时间长开销大** ：解决思路为 pause 指令，它可以延迟流水线指令，可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突而引起 CPU 流水线被清空，从而提高 CPU 执行效率；

> **只能保证一个共享变量的原子操作** ：解决思路为使用锁，或者把多个共享变量合并成一个共享变量，Java 5 ，JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放到一个对象里来进行 CAS 操作；

###### （3）使用锁机制来实现原子操作 ######

> 处理偏向锁， JVM 实现锁的方式都使用了 CAS 操作，即当一个线程想进入同步块的时候使用了循环 CAS 的方式来获取锁，当他退出同步块的时候使用循环 CAS 释放锁；