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java并发机制的底层实现原理

java并发机制的底层实现原理

作者: 写代码的杰西 | 来源:发表于2019-12-03 15:14 被阅读0次

    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”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时,另外一个线程能读到这个修改的值。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。
    如果一个字段被声明称volatile,Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

    volatile的实现原则:

    有volatile变量修饰的共享变量在进行写操作的时候,cpu会引发两件事
    1、将当前处理器缓存行的数据写回系统内存
    2、这个写回内存的操作会使其他cpu缓存了该内存地址的数据无效(由于mesi缓存一致性)

    synchronized的实现原理应用

    java中的每一个对象都可以作为锁

    • 对于普通方法,锁是当前实例对象
    • 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Synchonized括号里配置的对象
      当一个线程试图访问同步代码块时,他首先必须得到锁。
      jvm基于进入和退出monitor对象来实现方法同步和代码块同步。

    java对象头

    synchronized用的锁是存在Java对象头里的。
    数组对象,虚拟机用3个字宽存储对象头。普通对象使用2个字宽存储对象头。32位的虚拟机,1字宽等于4字节,32bit。


    对象头长度

    对象头里的MarkWord存储对象的,HashCode,分代年龄和锁标记位。


    32位java对象头存储结构

    Mark Word里存储的数据随着锁标志的变化而变化。可能为以下四种


    Mark Word状态变化

    64位的存储结构


    64位虚拟机Mark Word存储结构

    锁的升级与对比

    锁一共有4种状态。级别从低到高:无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。锁只能升级不能降级。
    引入偏向锁和轻量级锁的原因是:减少获取锁和释放锁占用的资源

    偏向锁

    大多数情况下,锁不存在多线程竞争,还总是由同一个现成获得。为了让线程获得锁的代价更低,引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取锁时,会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程id,该线程在进入和退出同步块不需要cas加锁和解锁,只需要简单测试一下对象头的markword里有没有存当前线程的偏向锁。测试成功表示线程已经获得了锁。失败就再测试一下markword偏向锁的标志是否设置成了1.。没有设置就使用cas竞争锁。设置了就尝试使用cas将对象头的偏向锁指向当前线程。

    轻量级锁

    线程在执行同步块之前,jvm会在当前线程栈帧创建存储锁的空间,把对象头的markword复制到锁记录中。线程尝试使用cas将对象头中的markword替换为指向锁记录的指针。成功,当前线程获得锁。失败,表示有其他线程竞争锁,尝试自旋来获取锁。

    解锁
    轻量级解锁时,cas将markword替换回对象头,如果成功,则表示没有竞争。如果失败,则表示当前锁存在竞争,锁会升级成重量级锁


    争夺锁导致的锁膨胀流程图

    锁的优缺点对比

    锁的优缺点的对比

    原子操作的原理

    原子(atomic)本意是“不能被进一步分割的最小粒子”,而原子操作(atomic operation)意为“不可被中断的一个或一系列操作”
    (1)使用总线锁保证原子性
    多个处理器同时从各自的缓存中读取变量,分别进行修改操作,分别写入系统内存,会导致和想要的结果不一样的问题。如果想要保证读改写共享变量的操作是原子的,必须保证cpu1操作共享变量的时候cpu2不能操作。
    总线锁就是干这个事情的,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,其他处理器的请求被阻塞住。
    (2)使用缓存锁保证原子性
    总线锁的开销比较大,锁定总线期间,其他cpu不能操作其他内存地址的数据。某些场合下使用缓存锁代替总线锁。
    缓存锁定是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中,在lock期间被锁定。执行锁操作回写内存时,修改内部内存地址,由于缓存一致性,会阻止同时修改2个以上处理器缓存的内存区域数据。其他处理器回写已被锁定的缓存航数据,会使缓存行无效。

    Java如何实现原子操作

    在Java中可以通过锁和循环cas的方式实现原子操作。
    (1)使用cas实现原子操作
    Jvm的cas利用了处理器提供的cmpxchg指令实现的。cas的实现思路是循环进行cas直到成功为止。
    (2)cas的三大问题
    1、aba问题。cas在操作值得时候检查值有没有变化,没有变化就更新。如果一个值原来是a变成了b又变成a,cas检查时会发现没有变化,实际上变化了。解决思路就是加上版本号,每次变量更新把版本号加1.
    2、循环时间长开销大。cas长时间不成功,会给cpu带来极大的执行开销。
    3、只能保证一个共享变量的原子操作。
    (3)使用锁来实现原子操作
    锁机制保证了只有获得锁的线程才能操作锁定的内存区域。jvm内部实现了很多种锁机制。

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