Java并发机制的底层实现原理

Java并发机制的底层实现原理

Java代码在编译后会变成字节码，字节码被类加载器加载到JVM里，JVM执行字节码，最终需要转化为汇编指令在CPU上执行，Java中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和CPU的指令。

volatile

--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和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了volatile，在某些情况下比锁要更加方便。如果一个字段被声明成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是轻量级的synchronized。

volatile可以保证可见性和有序性（禁止指令重排）。

--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。

--使用优化

JDK 7的并发包里新增一个队列集合类Linked-TransferQueue，它在使用volatile变量时，用一种追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能。

针对64字节宽的处理器，如果队列的头节点和尾节点都不足64字节的话，处理器会将它们都读到同一个高速缓存行中，在多处理器下每个处理器都会缓存同样的头、尾节点，当一个处理器试图修改头节点时，会将整个缓存行锁定，那么在缓存一致性机制的作用下，会导致其他处理器不能访问自己高速缓存中的尾节点，而队列的入队和出队操作则需要不停修改头节点和尾节点，所以在多处理器的情况下将会严重影响到队列的入队和出队效率。使用追加到64字节的方式来填满高速缓冲区的缓存行，避免头节点和尾节点加载到同一个缓存行，使头、尾节点在修改时不会互相锁定。

Sychronized

--实现：

1.synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。

​ ·对于普通同步方法，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。

2.Sychronized在JVM中的实现原理

JVM基于进入和退出Monitor对象实现方法同步和代码块同步，两者实现细节不同。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明。但是，方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。

任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

3.锁升级和对比

在Java SE 1.6中，锁一共有4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，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级。

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，以后该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，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。

轻量级锁：线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。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。轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

原子操作

原子操作意为“不可被中断的一个或一系列操作”。

--处理器实现原子操作：通过总线锁定和缓存锁定保证。

--Java实现原子操作：

1. 使用循环CAS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实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止。

2. CAS实现原子操作的三大问题：

   ​ ABA问题（加版本号）；循环时间长开销大；只能保证一个共享变量的原子操作

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内部实现了很多种锁
   机制，有偏向锁、轻量级锁和互斥锁。但除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS。