2.Java并发机制的底层实现原理

Java并发编程的艺术笔记

• 1.并发编程的挑战
• 2.Java并发机制的底层实现原理
• 3.Java内存模型
• 4.Java并发编程基础
• 5.Java中的锁的使用和实现介绍
• 6.Java并发容器和框架
• 7.Java中的12个原子操作类介绍
• 8.Java中的并发工具类
• 9.Java中的线程池
• 10.Executor框架

---

volatile

volatile是轻量级的synchronized，被volatile修饰的变量，在一个线程能读到这个变量被另一个线程修改之后的值。
volatile不会引起线程上下文切换和调度。

volatile的两条实现原则

• Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存.
• 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.

synchronized实现同步

• 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。

Synchonized在JVM里的实现原理

JVM 基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步。

• 代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的
• 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monitorenter和monitorexit指令来实现。

monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，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。

Java对象头

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。在32位 虚拟机中，1字宽 等于4字节，即32bit。

• 数组类型,虚拟机用3个字宽存储对象头。
• 非数组类型，虚拟机用2字宽存储对象头。

锁的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
• 重量级锁状态

Java中的锁介绍

原子操作的实现原理

原子（atomic）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为“不可被中断的一个或一系列操作”。

• 处理器如何实现原子操作
  • 使用总线锁保证原子性：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。
  • 使用缓存锁保证原子性。
    以下两种情况不会使用缓存锁：
    • 当处理器不支持缓存锁定。
    • 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。
• Java如何实现原子操作
  • 使用循环CAS实现原子操作， Java中的12个原子操作类介绍。
  • CAS实现原子操作的三大问题：
    • 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就会变成1A→2B→3A。
      原子操作类AtomicStampedReference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。
    • 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。
    • 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。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。
  • 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。