Java程序员必知的并发编程艺术——并发机制的底层原理实现

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和一致的更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。

volatile借助Java内存模型保证所有线程能够看到最新的值。(内存可见性)

实现原理:

将带有volatile变量操作的Java代码转换成汇编代码后，可以看到多了个lock前缀指令(X86平台CPU指令)。这个lock指令是关键，在多核处理器下实现两个重要操作:

1.将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。

2.这个写回内存的操作会使其他处理器里缓存该内存地址的数据失效

如果了解计算机组成原理，可以知道CPU为了提高处理速度，不和内存直接进行交互，而是使用Cache(高速缓存，通过缓存数据交互速度和内存不是一个数量级，而同时Cache的存储容量也很小)。

从内存将数据读到缓存后，CPU进行一系列数据操作，而操作完成时间是不可知的。而JVM对带有volatile变量进行写操作时，会发送Lock前缀指令，将数据从缓存行写入到内存。写入内存还不够，因为其他线程的缓存行中数据还是旧的，Lock指令可以让其他CPU通过监听在总线上的数据，检查自己的缓存数据是否过期，如果缓存行的地址和总线上的地址相同，则将缓存行失效，下次该线程对这个数据操作时，会重新从内存中读取，更新到缓存行。

2.Synchronized

Synchronized也是经常用到的，它给人的印象一般是”重量级锁”。在JDK1.6后，对Synchronized进行了一系列优化，引入了偏向锁和轻量级锁，对锁的存储结构和升级过程。有效减少获得锁和释放锁带来的性能消耗。

Synchronized同步基础:

1.普通同步方法，锁是当前实例对象。 public synchronized void test(){…}

2.静态同步方法，锁是当前类的Class对象。public static synchronized void test(…){}

3.对于同步方法块，锁是Synchronized括号中里配置的对象。synchronized(instance){…}

用javap反编译class文件，可以看到Synchronized用的是monitorenter和monitorexit实现加锁。一个monitorenter必须要有monitorexit与之对应，所以同步方法会在异常处和方法返回处加入monitorexit指令。

<pre style="box-sizing: border-box; margin: 0px 0px 24px; padding: 0px 16px; overflow-x: auto; background-color: rgb(255, 255, 255); font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; line-height: 20px; color: rgb(34, 34, 34); -webkit-tap-highlight-color: transparent; white-space: normal; text-align: start;">3: monitorenter //注意此处，进入同步方法 4: aload_0 5: dup 6: getfield #2 // Field i:I 9: iconst_110: iadd11: putfield #2 // Field i:I14: aload_115: monitorexit //注意此处，退出同步方法</pre>

3.Java对象头

Synchronized用到的锁存在Java对象头里,若对象非数组类型，用32bit存储(2个字宽，32虚拟机一个字宽为4字节，一个字节8bit)

MarkWord存储和锁相关的信息:

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锁有四个等级: 无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁。如果存在竞争，就会不断升级，但不会降级。

1.偏向锁

多数情况下，锁不会存在竞争，而是同一个线程多次获得。当某个线程访问同步块代码时，会将锁对象和栈帧中的锁记里存储锁偏向的线程ID，以后线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单比对一下对象头中的MarkWord里的线程ID，如果一致则表示线程获得锁。若不一致，再继续测试偏向锁的标识是否为1：如果没有设置(无锁状态)，用CAS(Compare and Swap)竞争锁；如果设置了，尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

当有另一个线程尝试竞争锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态，如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word，要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

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Java 6，7默认开启偏向锁，可以通过JVM的参数-XX:-UsebiasedLocking=false关闭

2.轻量级锁

(1)加锁

锁记录存储在栈桢，会将对象头的MarkWord复制到锁记录。线程在执行同步块时，会尝试用CAS将对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针，若成功，获得锁；失败表示其他线程竞争锁，当前线程尝试使用自旋获取锁。

(2)解锁

类似于加锁反向操作，会将锁记录复制会对象头的MarkWord。若成功，表示操作过程中没有竞争发生；若失败，存在竞争，锁会膨胀成重量级锁。

如下图:

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当膨胀到重量级锁时，不会再通过自选获得锁(自旋时线程处于活动状态，会消耗CPU)，而是将线程阻塞，获得锁的线程执行完后会释放重量级锁，此时唤醒因为锁阻塞的线程，进行新一轮的竞争。

3.其他锁概念

自旋锁:

自旋锁是采用让当前线程不停地的在循环体内执行实现的，当循环的条件被其他线程改变时 才能进入临界区。

<pre style="box-sizing: border-box; margin: 0px 0px 24px; padding: 0px 16px; overflow-x: auto; background-color: rgb(255, 255, 255); font-family: Consolas, Menlo, Courier, monospace; font-size: 16px; line-height: 20px; color: rgb(34, 34, 34); -webkit-tap-highlight-color: transparent; white-space: normal; text-align: start;">public class SpinLock { private AtomicReference<Thread> sign =new AtomicReference<>(); public void lock(){Thread current = Thread.currentThread(); while(!sign .compareAndSet(null, current)){}} public void unlock (){Thread current = Thread.currentThread();sign .compareAndSet(current, null);}}</pre>

使用了CAS原子操作，lock函数将owner设置为当前线程，并且预测原来的值为空。unlock函数将owner设置为null，并且预测值为当前线程。

当有第二个线程调用lock操作时由于owner值不为空，导致循环一直被执行，直至第一个线程调用unlock函数将owner设置为null，第二个线程才能进入临界区。

由于自旋锁只是将当前线程不停地执行循环体，不进行线程状态的改变，所以响应速度更快。但当线程数不停增加时，性能下降明显，因为每个线程都需要执行，占用CPU时间。如果线程竞争不激烈，并且保持锁的时间段。适合使用自旋锁。

锁的优缺点对比:

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