并发编程02-Java并发机制和底层实现原理

• volatile的应用
• synchronized的实现原理与应用
  • 对象头
  • 锁的升级与对比
    • 偏向锁
      • 1.偏向锁的撤销
      • 2.关闭偏向锁
    • 轻量级锁
      • 轻量级锁加锁
      • 轻量级锁解锁
• 原子性操作的实现原理
  • 处理器如何实现原子操作
    • 使用总线保证原子性
    • 使用缓存机制保证原子性
  • Java实现原子性操作

volatile的应用

博客链接:volatile的应用

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synchronized的实现原理与应用

synchronized修饰符

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（Word）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对象头的长度

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。

32位JVM中Mark Word的存储结构

64位JVM中Mark Word的存储结构

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的状态变化

锁的升级与对比

锁膨胀的方向:无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁

偏向锁

大多数情况下,锁不存在多线程竞争,总是由同一个线程多次获得
核心思想: 减少统一鲜橙获取锁的代价 CAS
如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，此时MarkWord的结 构也变为偏向锁结构，当该线程再次请求锁时，无需冉做任何同步操作， 即获取锁的过程只需要检查MarkWord的锁标记位为偏向锁以及当前线 程ld等于MarkWord的ThreadID即可，这样就省去了大量有关锁申请的 不适用于锁竞争比较激烈的多线程场合.

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还活着,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,拥有偏向锁的栈就会被执行,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合适作为偏向锁,最后唤醒暂停的线程.

偏向锁初始化的流程

2.关闭偏向锁

偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

轻量级锁

轻量级锁是由偏向锁升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情 况下当第二个线程加入锁争用的时候,偏向锁就会升级为轻量级锁。
适应的场景：线程交替执行同步块
若存在同一时间访问同一锁的情况,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁

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。

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。

争夺锁导致的锁膨胀流程图

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行新一轮的夺锁之争。

锁的优缺点的对比

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原子性操作的实现原理

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”。

CPU术语定义

处理器如何实现原子操作

使用总线保证原子性

第一个机制是通过总线保证原子性.如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作(i++就是经典的读写改操作),那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作,这样的读写改操作就不是原子性的,操作完之后共享变量的值会和期望的不一致.
举个例子，如果i=1，我们进行两次i++操作，我们期望的结果是3，但是有可能结果是2，如图所示。

原因可能是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,在这个过程中没有保证读写的原子性,在CPU完成写入操作之前CPU2就完成了读取操作

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。

使用缓存机制保证原子性

保证对某个内存地址的操作是原子性的即可,但是总线锁把CPU和内存之间的通信锁住了,这使得锁定期间,其他处理器不可操作其他的内存地址的数据,所以总线锁定的开销比较大,目前处理器在某些场合下使用缓存锁定代替总线锁定来进行优化.

有两种情况下处理器不会使用缓存锁定

• 当操作的数据不能被缓存被换粗在处理器内部,或操作的数据跨多个缓存行(Cache Line)时,则处理器会调用总线锁定.
• 有些处理器不支持缓存锁定.

Java实现原子性操作

在Java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。

• （1）使用循环CAS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，以下代码实现了一个基于CAS线程安全的计数器方法safeCount和一个非线程安全的计数器count。

package com.mmall.concurrency.example.atomic;



import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author panghu
 */
public class Counter {

    private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    private int i = 0;

    public static void main(String[] args) {
        final Counter cas = new Counter();
        List ts = new ArrayList<>(600);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int j = 0; j < 100; j++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    cas.count();
                    cas.safeCount();
                }
            });
            ts.add(t);
        }
        for (Thread t : ts) {
            t.start();
        }

        for (Thread t : ts) {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(cas.i);
        System.out.println(cas.atomicInteger.get());
    }

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

• (2)CAS实现原子操作的三大问题
  在Java并发包中有一些并发框架也使用了自旋的方式实现原子操作.CAS虽然很高效地解决了原子操作,但是CAS任然存在三大问题.

  • 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.

    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。

   public boolean compareAndSet(
   V expectedReference, // 预期引用
   V newReference, // 更新后的引用
    int expectedStamp, // 预期标志
    int newStamp // 更新后的标志
    )
  

  • 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（de-pipeline），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（Memory Order Violation）而引起CPU流水线被清空（CPU Pipeline Flush），从而提高CPU的执行效率。

  • 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。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java 1.5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来进行CAS操作。

• （3）使用锁机制实现原子
  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。有意思的是除了偏向锁，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

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参考书籍:<>