Java并发（二）：底层实现原理

一. 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”。

实现原理

volatile修饰的共享变量，在进行写操作的时候，会多出一条lock前缀的汇编指令lock addl $0x0,(%esp)。

lock前缀的汇编指令的作用：

1. 将当前处理器缓存回写到内存。
2. 上述回写操作会导致其他处理器的缓存失效。

正是这两条特性保证了volatile共享变量的“可见性”。

二. synchronized

Java中的每一个对象都可以作为锁。

• 对于普通同步方法，锁的是当前实例对象（this）
• 对于静态同步方法，锁的是当前类的Class对象（java.lang.Class）
• 对于同步方法块，锁的是synchronized括号里配置的对象（实例对象 / Class对象）

实现原理

synchronized是JVM层面的同步方法。

在JVM里，使用monitorenter和monitorexit指令实现synchronized同步。

任何对象都有一个monitor与之关联，在编译时，会在同步代码开始的位置加入monitorenter指令，在同步代码结束处和异常处加入monitorexit指令。

当线程执行到monitorenter指令时，将尝试获取要锁住的对象的monitor所有权，如果成功则锁住该对象。

1. Java对象头

synchronized用的锁保存在Java对象头里。

• 对象头结构

长度（32/64位JVM）	内容	说明
32/64bit	Mark Word	存储对象的hashCode或锁信息等
32/64bit	Class Metadata	存储对象类型数据的指针
32/32bit	Array length	数组的长度（当前对象是数组才有）

• 32位JVM的Mark Word的默认存储结构

锁状态	25bit	4bit	1bit (是否为偏向锁)	2bit (锁标志位)
无锁	对象的hashCode	对象分代年龄	0	01

• Mark Word随锁标志位的变化而变化

2. 锁的升级与对比

为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，Java SE 1.6引入了偏向锁和轻量级锁。

锁的级别：无锁 -- 偏向锁 -- 轻量级锁 -- 重量级锁。

• 偏向锁

经研究发现，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。

当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧的锁记录里保存锁偏向的线程ID，以后该线程进入退出同步块时无需通过CAS操作来加锁解锁，只需要测试一下对象头的Mark Word里是否保存了当前线程的偏向锁。

只有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。此时会执行偏向锁的撤销操作。

• 轻量级锁

线程执行同步块前，JVM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（Displaced Mark Word），然后线程尝试用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，则当前线程尝试自旋来获取锁。

轻量级锁解锁时，线程会尝试用CAS将Displaced Mark Word替换回对象头中，如果成功，则解锁成功；如果失败，则表示锁存在竞争，膨胀为重量级锁。

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块的场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高程序响应速度	如果始终得不到锁，自旋会消耗CPU	追求响应速度，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不适用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间慢	追求吞吐量，同步块执行速度慢

三. 原子操作

原子操作是指“不可被中断的一个或一系列操作”。

1. 处理器实现原子操作

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。

对于复杂的内存操作，处理器提供总线锁定和缓存锁定来保证复杂内存操作的原子性。

总线锁定

使用处理器提供的一个LOCK # 信号，当一个处理器在总线上传输此信号时，其他处理器的请求将被阻塞，那么当前处理器就可以独占共享内存了。

缓存锁定

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，会使其他处理器的缓存行失效。

2. Java实现原子操作

Java中通过锁和循环CAS来实现原子操作。