Java多线程：并发编程的挑战+Java并发机制的底层实现原理

最近开始学习Java多线程相关的知识了，想要基础入门的话推荐读《Java多线程编程核心技术》，内容偏实战，想要深入理解多线程的话推荐读《Java并发编程的艺术》和《Java并发编程实战》，最近也在看《Java并发编程的艺术》，同时做一下相关的记录

一、并发编程的挑战

1、上下文切换

单核处理器也支持多线程执行代码，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间，因为时间片非常短，所以CPU通过不停地切换线程执行，让我们感觉多个线程是同时执行的，时间片一般是几十毫秒

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，在切换前会保存上一个任务的状态，以便下次切换回这个任务时，可以再加载这个任务的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换

1）、多线程一定快吗？

不一定，因为线程有创建和上下文切换的开销

2）、如何减少上下文切换

• 无锁并发编程。多线程竞争锁时，会引起上下文切换，所以多线程处理数据时，可以用一些办法来避免使用锁，如将数据的ID按照Hash算法取模分段，不同的线程处理不同段的数据
• CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据，而不需要加锁
• 使用最少线程。避免创建不需要的线程，比如任务很少，但是创建了很多线程来处理，这样会造成大量线程都处于等待状态
• 协程：在单线程里实现多任务的调度，并在单线程里维持多个任务间的切换

2、死锁

public class DeadLockDemo {
	private static String A = "A";
	private static String B = "B";

	private void deadLock() {
		Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				synchronized (A) {
					try {
						TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					synchronized (B) {
						System.out.println(Thread.currentThread().getName());
					}
				}
			}
		});
		Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				synchronized (B) {
					try {
						TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					synchronized (A) {
						System.out.println(Thread.currentThread().getName());
					}
				}
			}
		});
		t1.start();
		t2.start();
	}

	public static void main(String[] args) {
		// 线程t1和线程t2互相等待对方释放锁
		new DeadLockDemo().deadLock();
	}
}

避免死锁的几个常见方法：

• 避免一个线程同时获取多个锁
• 避免一个线程在锁内同时占用多个资源，尽量保证每个锁只占用一个资源
• 尝试使用定时锁，使用lock.tryLock(timeout)来替代使用内部锁机制
• 对于数据库锁，加锁和解锁必须在一个数据库连接里，否则会出现解锁失败的情况

3、资源限制的挑战

资源限制是指在进行并发编程时，程序的执行速度受限于计算机硬件资源或软件资源

二、Java并发机制的底层实现原理

1、volatile的应用

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。volatile变量修饰符不会引起线程上下文的切换和调度

1）、volatile的定义与实现原理

如果一个字段被声明为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实现原理：

• Lock前缀指令将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存
• 这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是，就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题。所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态。当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里

A.Lock前缀指令将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。Lock前缀指令导致在执行指令期间，声言处理器的LOCK #信号。在多处理器环境中，LOCK #信号确保在声言该信号期间，处理器可以独占任何共享内存。但是，在最近的处理器里，LOCK #信号一般不锁总线，而是锁缓存，毕竟锁总线开销的比较大。对于Intel 486和Pentium处理器，在锁操作时，总是在总线上声言LOCK #信号。但在P6和目前的处理器中，如果访问的内存区域已经换存在处理器内部，它会锁定这块内存区域的缓存并回写到内存，并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性，此操作被称为缓存锁定，缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据

B.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。IA-32处理器和Intel64处理器使用MESI（修改、独占、共享、无效）控制协议去维护内存缓存和其他处理器缓存的一致性。在多核处理器系统中进行操作的时候，IA-32和Intel64处理器能嗅探其他处理器访问系统内存和它们的内部缓存。处理器使用嗅探技术保证它的内部缓存、系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致

2）、volatile的使用优化

A.追加字节优化性能：JDK7的并发包里新增一个队列集合类LinkedTransferQueue，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

B.原理：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

2、synchronized的实现原理与应用

• 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synchronized括号里配置的对象

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令来实现的，而方法同步是使用另一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明

monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当一个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

1）、Java对象头

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit

Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位

在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word可能变化为存储以下4种数据

在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的

2）、锁的升级与对比

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，锁可以升级但不能降级，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率

A.偏向锁

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。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，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。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程

1）偏向锁的撤销

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。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。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

2）关闭偏向锁

偏向锁在Java6和Java7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟后才激活，如果必要刻意使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartUpDelay=0或直接关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false

B.轻量级锁

1）轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧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

2）轻量级锁解锁

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

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进入新一轮的争锁之战

C.锁的优缺点对比

3、原子操作的实现原理

1）、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之间的原子操作。首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。处理器保证从系统内存中读取或写入一个字节是原子的，意思是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。Pentium 6和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64位的操作是原子的，但是复杂的内存操作处理器是不能自动保证其原子性的，比如跨总线宽度、跨多个缓存行和跨页表的访问。但是，处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制保障复杂内存操作的原子性

A.使用总线锁保证原子性

如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作，那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的

多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i，分别进行加1操作，然后分别写入系统内存中。想要保证读改写共享变量的操作是原子的，就必须保证CPU1读改写共享变量的时候，CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存

处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。所谓总线锁就是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，其他处理器的请求将被阻塞住，那么该处理器可以独占共享内存

B.使用缓存锁保证原子性

在同一时刻，我们只需保证对某个内存地址的操作是原子性即可，但总线锁定把CPU和内存之间的通信锁住了，这使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定的开销比较大

频繁使用的内存会缓存在处理器的L1、L2和L3高速缓存里，那么原子操作就可以直接在处理器内部缓存中进行，并不需要声明总线锁，在Pentium 6和目前的处理器中可以使用缓存锁定的方式来实现复杂的原子性。所谓缓存锁定是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在Lock操作期间被锁定，那么当它执行锁操作回写到内存时，处理器不在总线上声言LOCK #信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时，会使缓存行无效

以下两种情况处理器不会使用缓存锁定：

• 当操作的数据不能被缓存在处理器内部，或操作的数据跨多个缓存行时，则处理器会调用总线锁定
• 有些处理器不支持缓存锁定。对于Intel 486和Pentium处理器，就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定

C.Java如何实现原子操作

JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。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

public class Counter {
	private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
	private int i = 0;

	// 使用CAS实现线程安全计数器
	private void safecount() {
		for (;;) {
			int i = atomicI.get();
			boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
			if (suc) {
				break;
			}
		}
	}

	// 非线程安全计数器
	private void count() {
		i++;
	}

	public static void main(String[] args) {
		final Counter cas = new Counter();
		List<Thread> ts = new ArrayList<>(600);
		long start = System.currentTimeMillis();
		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();
		}
		// 等待所有线程执行完成
		for (Thread t : ts) {
			try {
				t.join();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		System.out.println("非安全计数器为:" + cas.i);
		System.out.println("安全计数器为:" + cas.atomicI.get());
		System.out.println("运行时间:" + (System.currentTimeMillis() - start));
	}
}

2）、CAS实现原子操作的三大问题

A.ABA问题

因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就变成1A->2B->3A。从Java1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值

B.循环时间长开销大

自旋CAS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：第一，它可以延迟流水线执行指令，使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；第二，它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突而引起CPU流水线被清空，从而提高CPU的执行效率

C.只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。还有一个办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。从Java1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里进行CAS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。除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁