AQS - AbstractQueuedSynchronizer

AQS是并发基类 , 通过State以及Exclussive Thread来控制资源总数以及资源独占的线程. 通过LockSupport.park/unpark来控制线程CPU的调度 , 用于让某个线程获取/让出CPU资源.

AQS主要分为两种模式 :

独占模式(Exclussive Mode) : 只有1个资源 , 同一时刻只允许一个线程执行
- 包括 : ReentrantLock
共享模式(Shared Mode) : 拥有多个资源 , 只要资源数足够 , 同一时刻允许多个线程获取资源执行
- 包括 : Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier

LinkedBlockingQueue

BlockingQueue主要用于实现生产者-消费者模型的实例.

主要通过ReentrantLock与Condition来实现生产与消费. 其内部会创建两个ReentantLock :

takeLock : 负责生成notEmpty的Condition , 用于阻塞take函数获取数据
putLock : 负责生成notFull的Condition , 用于阻塞put函数插入数据

内部也有capacity变量用于标志当前队列总长度 , 也有AtomicInteger count来标志当前队列长度.

当put函数插入数据 , 而队列满了的时候 , 会通过notFull.await让插入线程等待. 而当take函数获取完数据 , 队列不满的时候 , 会通过notFull.signal唤醒线程进行插入.

当take函数获取数据, 而队列长度为0的时候 , 会通过notEmpty.await等待数据插入. 而当put函数调用后 , 队列中有数据时 , 会通过notEmpty.signal唤醒线程获取数据.

CAS操作

CAS(Compare and Swap)，即比较并交换。比较的是当前内存值与预期值，交换的是新值与内存中的值。这个操作是通过cmpxchg指令来完成 , 但在该指令前 , 还有一个lock前缀 , 而这个lock前缀才是保证多核CPU的关键.

#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  \
                       __asm je L0      \
                       __asm _emit 0xF0 \
                       __asm L0:
inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  // alternative for InterlockedCompareExchange
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    // 如果是多核CPU , 则lock
    LOCK_IF_MP(mp)
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

而在上层 , Unsafe会通过自旋的方式一直等待cmpxchg执行成功后返回结果.

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
     int v;
      do {
            v = getIntVolatile(o, offset);
      } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
     return v;
   }

volatile关键字实现

volatile关键字主要有两个功能 :

线程间可见性 : 保证该变量的值在各个线程间都是获取最新的
阻止指令重排序 : 保证在volatile前的指令可以执行完毕

在class文件中 , 仅仅只是加上了ACC_VOLATILE的Flag

在虚拟机中 , 会通过lock前缀 , 来标志该条指令.

lock指令用于在多处理器中执行指令时对共享内存的独占使用。它的作用是能够将当前处理器对应缓存的内容刷新到内存，并使其他处理器对应的缓存失效。另外还提供了有序的指令无法越过这个内存屏障的作用。

synchronized关键字实现

在jdk1.5之前 , synchronized关键字的性能非常差 , 因为在JVM中遇到synchronized关键字就会使用Linux的Mutex进行并发.

在jdk1.6版本后 , 通过对锁对优化 , synchronized的性能已经达到一个很优秀的程度. 通过在JVM加入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁的策略.

Java中锁膨胀的顺序为 : 无锁 , 偏向锁 , 轻量级锁 , 重量级锁

偏向锁 :

检查对象头的Mark Word中是否保存有线程ID , 如果有则认为当前锁处于偏向锁
如果没有则通过CAS设置对象头中的线程ID , 如果成功 , 则代表从无锁成为偏向锁
如果CAS失败或者已经存在线程ID , 则当到线程安全时 , 会撤销偏向锁 , 升级成为轻量级锁

轻量级锁 :
多个线程竞争偏向锁导致偏向锁升级为轻量级锁

JVM 在当前线程的栈帧中创建 Lock Reocrd，并将对象头中的 Mark Word 复制到 Lock Reocrd 中。（Displaced Mark Word）
线程尝试使用 CAS 将对象头中的 Mark Word替换为指向 Lock Reocrd 的指针。
如果成功则获得锁，如果失败则先检查对象的 Mark Word 是否指向当前线程的栈帧如果是则说明已经获取锁，否则说明其它线程竞争锁则膨胀为重量级锁。

重量级锁 :
在重量级锁中没有竞争到锁的对象会park被挂起，退出同步块时unpark唤醒后续线程。唤醒操作涉及到操作系统调度会有额外的开销。

synchronized 关键字及 wait、notify、notifyAll 这三个方法都是通过MonitorEnter、MonitorExit来实现的.

等待队列处理策略

LockSupport实现

在JVM中 , 会通过Parker来完成park/unpark. 实际上 , 对应在Linux上的实现则也是通过mutex来实现的:

park : pthread_cond_wait 以及 pthread_mutex_lock 实现等待
unpark : pthread_cond_signal 以及pthread_mutex_lock 实现唤醒

缓存一致性

对于当代多核CPU而言 , CPU会有缓存一致性协议 (MESI) , 主要用于标示CPU Cache Line中缓存的状态 , 并且用于同步多个CPU中缓存状态 .

而在CPU指令中Lock指令用来同步各个CPU核之间的缓存数据.

乐观锁/悲观锁

乐观锁 : 当并发量级很小, 冲突小时 , 使用乐观锁 , 比如volatile、CAS操作
悲观锁 : 当并发量级比较大, 冲突较大时 , 使用悲观锁 , 比如ReentrantLock、synchronized , 主要因为CAS自旋多次后 , 会导致CPU大量的空旋 , 浪费cpu资源.