Java并发编程艺术（一） Java并发机制的底层实现

1、volatile的应用

• volatile是轻量级的synchronized，它砸死多处理器开发中保证了共享变量的可见性。当一个线程修改一个共享变量时，另一个线程能读到这个修改的值。

CPU术语

instance = new Singleton();

0x01... movb $0x0, 0x01...: lock addl $0x0,(%esp);

• 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，如果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为无效状态。
• Lock前缀指令会引起处理器缓存写会到内存。
• 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。

2、synchronized的实现原理与应用

• 对于普通同步方法，锁时当前实例对象。
• 对于静态同步方法，锁时当前类的Class对象。
• 对于同步方法块，锁时synchronized括号里配置的对象。

• 代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现。
• 任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于被锁定状态。

2.1 Java对象头

• synchronized用的锁时存在Java对象头里。
• Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。

Java对象头存储结构

Mark Word

2.2 锁的升级与对比

偏向锁

• 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偏向锁。
• 当一个线程访问同步块并获取锁时，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，只需要测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。
• 只有在竞争时才会出现偏向锁撤销。

偏向锁

轻量级锁

• 线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程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。然后尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，则获取到锁，否则自旋获取锁。如果自旋一段时间还没有锁会升级为重量级锁。
• 释放锁会使用CAS操作替换原来回原来的对象头，如果失败说明锁存在竞争。

轻量锁

锁对比

3、原子操作的实现原理

CPU术语

• 通过总线锁保证原子性。当一个处理器在总线上输出LOCK#信号时，其他处理器的请求将被阻塞住。
• 使用缓存锁保证原子性。内存区域如果被缓存在处理器的缓存行里，并且在Lock期间锁定，那么当它执行锁操作回写到内不错呢时，不在总线上声明信号，而是修改内部内存地址，允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，该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数据时，会使缓存行无效。

Java实现原子操作

• 循环CAS实现原子操作

    private void safeCount() {
        for (;;) {
            int i = atomicI.get();
            boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
            if (suc) {
                break;
            }
        }
    }

可能出现ABA、循环时间长开销大、只能保证一个共享变量的原子操作等问题。

• 除了偏向锁，JVM实现锁地方式都用了循环CAS。