Java 并发的底层原理

参考：java并发编程
此文只用于整体的认知，细节还是要看书

为什么会有并发问题

Java代码在编译后会变成Java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

• 我们知道现代计算机为了告诉运算，大量使用缓冲的技术，缓冲意味着可能拿不到及时的更新，陈旧的数据带来并发的问题。缓存是指可以进行高速数据交换的存储器，它先于内存与CPU交换数据
  很多操作，如果缓存里有，我们就只会操作到缓存这一层，而不会真正交互到内存。

• cpu层会有一些诸如内存屏障等概念的指令，让你要确保数据更新，多线程都可见时，进行使用
  Intel 64处理器使用MESI（修改、独占、共享、无效）控制协议规定了多线程时的可见性策略，可以了解

Volatiie的实现

本质上就是java虚拟机，在处理Volatile关键词时，会使用特殊的指令，保证缓存回写到内存，而MESI保证了缓存回写到内存后，使其他的缓存无效

Synchronized的实现

最基础的概念Synchronzied是针对于对象而言的，java中的所有对象都可以作为锁，普通方法，锁是当前实例，静态方法，锁是当前类的Class对象

Synchronized的实现模式是基于Monitor监视器的

• monitor和对象的关系是什么
  主要分析一下重量级锁也就是通常说synchronized的对象锁，锁标识位为10，其中指针指向的是monitor对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态

Monitor主要数据结构

ObjectMonitor() {
    _count        = 0; //记录个数
处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet
    _WaitSet      = NULL;
处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表
    _EntryList    = NULL ; //
获得锁的线程
 _owner        = NULL;
...
  }

• moritor是如何执行的

  
  
  

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  从上图可以看出，Monitor这个建筑里有3个房间，任何一个线程一进来就进去entry Set，然后会尝试去获得锁即进入special room。但如果获得不了呢，那就会进入wait set
  若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSet集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)

这里简单区分一下block和wait状态，在Java中，阻塞态专指请求锁失败时进入的状态，处于阻塞态的线程会不断请求资源，一旦请求成功，就会进入就绪队列，等待执行
而wait是等待被其他线程唤醒的状态，它不会不断地去尝试获得锁，被唤醒后，去尝试获得锁，也会进入block状态

• Synchronzied的锁存在于对象头里，在java 1.6里进行了优化，引入了偏向锁和轻量锁，目前锁的状态为：
  无锁，偏向锁，轻锁，重锁，锁可以升级，但不能降级

  
  
  

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• 偏向锁
  在实际中，锁不仅不存在多线程竞争，且总是由同一线程获得。为了加快这类线程获得锁，产生了偏向锁。当一个线程获得锁时，会记录锁的偏向线程ID，以后这个线程再次进入和退出，不需要加锁和解锁，只需要检测比较当前线程和偏向锁线程ID即可，本质上是一个解决较少竞争的方案

当真正的竞争出现时，会发生什么
检查持有偏向锁的线程，如果此线程死了，那么设置对象为无锁，如果线程还活着，比较复杂，结论是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

• 轻量锁
  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。
  （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。图2-2是
  两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。

简单来说，加锁就是栈拷贝对象的头属性，然后再将自己的设置进去，成功则获得锁，失败就继续自旋尝试.

• 升级而不会降级
  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。

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