java多线程之synchornized原理以及原子操作探究学习

synchornized 实现原理

在JAVA1.6对synchronized进行优化后，能够减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，主要是引入了偏向锁和轻量级锁。还有优化了锁的存储结构和升级结构。

在jvm规范中，看到synchornized实现原理是基于进入退出Monitor对象实现方法同步和代码同步。代码块同步使用monitorenter和monitorexit指令实现，方法同步另外一种方式实现。

monitorentor指令是编译后查询到同步代码块的开始位置
monitorexit指令是插入方法结束和异常处。

JAVA对象头

synchronized用的锁是存在java对象头中的。JAVA对象头中的mark word 存储对象的HashCode、分带年龄和锁标记位。

原理：根据JAVA Object Model定义，Object Header是一个2字(1 word =4 byte)长度的存储区域。

第一个长度区域用于标记同步，GC以及hash code，成为mark word。第二字长度区域指向对象的class

mark word是轻量级实现的关键

轻量级锁

轻量级锁加锁

线程再执行同步块代码之前，jvm会为当前线程分配lock record，并复制对象头中的mark word到lock record 中，然后使用CAS将mark word替换为指向lock record的指针。如果成功就获得锁执行同步体，如果失败，表示其他线程使用中，调用OS的互斥原语，挂起当前线程，直到被唤醒。

轻量级解锁

轻量级解锁时，会使用原子的CAS将lock record替换回对象头中，成功表示没有竞争，如果失败表示有锁竞争，锁会被释放并唤醒被挂起的线程。

JAVA轻量级加锁流程图.png

锁的优缺点对比

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外消耗	如果线程存在锁竞争，会带来额外锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块场景
轻量级锁	竞争的锁不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果是中得不到锁竞争的线程，会自旋消耗cpu	追求响应时间，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程租塞，响应时间慢	追求吞吐量，同步块执行速度较长

原子操作的实现原理

处理器如何实现原子操作

32位IA-32处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器的原子操作。

当一个处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字节的内存地址。

1. 使用总线锁保证原子性

通过总线锁来保证原子性，如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作，那么共享变量会被多个处理器同时操作，这样读写操作就不是原子的，操作完后的共享变量值会和期望的不一样。

处理器使用总线锁就是解决这个问题的，总线锁就是使用处理器提供的lock#信号，其他处理器会被阻塞，那么该处理器能够独享内存

2.使用缓存锁保证原子性

在一个时刻，我们只需要保证某个内存地址的操作是原子性即可，但是总线锁定会把CPU和内存之间的通信锁住，使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定开销较大，在某些场合下使用缓存锁定来代替总线锁定进行优化。

缓存锁定是指内存区域如果被缓存再处理器的缓存行中，且再lock操作期间被锁定，那么当写回内存时，不在总线上声言LOCK#信号，而是修改内部的内存地址，允许缓存一致性机制来保证操作的原子性。

有两种情况处理器不会使用缓存锁

当操作的数据不能缓存到处理器内部，或操作的数据横跨多个cache line时，处理器会调用总线锁定
某些处理器不支持缓存锁定，就算锁定内存区域再处理缓存行中也会调用总线锁定

java如何实现原子操作

JAVA可以通过锁和循环CAS来实现原子操作

1.使用循环CAS实现原子操作

JVM中的CAS操作正是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，以下代码实现一个基于CAS线程安全的计数器方法saefCount和一个非线程安全的计数器count

package org.yoqu.javastudy.thread.lock;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author yoqu
 * @date 2017年06月01日
 * @time 下午4:25
 * @email [email protected]
 */
public class CasSafaThread {
    private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
    private int result = 0;

    public static void main(String[] args) {
        final CasSafaThread cas = new CasSafaThread();
        Long start = System.currentTimeMillis();
        List ts = new ArrayList<>(600);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            Thread t =new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        cas.count();
                        cas.safeCount();
                    }
                }
            });
            ts.add(t);
        }
        for (Thread t:ts) {
            t.start();
        }
        for (Thread i : ts){
            try{
                i.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("result:"+cas.result);
        System.out.println("atomic:"+cas.atomicInteger.get());
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }
    private void safeCount(){
        for (;;){
            int i=atomicInteger.get();
            boolean suc = atomicInteger.compareAndSet(i,++i);
            if (suc){
                break;
            }
        }
    }
    private void count(){
        result++;
    }
}

从JAVA1.5开始，jdk的并发包就提供了一些类支持原子操作，AtomicBoolean AtomicInteger AtomicLong

2. cas实现原子操作的三大问题

ABA问题，因为cas需要再操作值的时候检测值有没有变化，如果没有变化则更新，如果一个值原来是A，又变成了B，又变成了A，那么CAS检查的时候会发现它值没有发生变化，但是实际上却变了，ABA问题的解决思路是使用版本号，变量钱追加版本号，每次更新时候版本+1，jdk 的Atomic包提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题，
循环时间长，开销大。如果长时间不成功，会给cpu带来非常大的执行开销，如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。pause 指令有两个作用：
1. 延迟流水线执行指令，使得cpu不会消耗过多的执行资源，延迟时间取决具体实现的版本，
2. 避免退出循环时候因内存顺序冲突引起cpu流水线被清空，提高cpu的执行效率
只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对于多个共享变量操作时，循环CAS无法保证操作的原子性，这个时候可以用锁。或者把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

3. 使用锁机制实现原子操作

锁机制保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域，jvm内部实现了多种，偏向锁，轻量级锁和互斥锁。除了偏向锁，jvm实现锁的方式都用了循环CAS。