高并发编程底层原理详解（1）

CAS （compare and swap）比较并交换

在不加锁的情况，保持在多线程的一致性问题？ => CAS
1.知识铺垫：i++在jvm 中是不安全的，不能保证原子性，在高并发的情况下，会存在问题。JMM（每个线程都会把主内存的数据copy的线程自己的空间中，执行完毕之后再写回主内存。）
2.解决方式 a.加锁 b.CAS
3.案列：AtomicInteger getAndAddIn()
4.流程解析：
i = 0
Thread A i++ （ 拿到i=0 ,并i = i+1 ，准备存入）还未存入
Thread B 在Thread A拿到I=0 之后，先存入到主内存中， 此时 主内存中的值 已经变为1
Thread A 此时发现主内存已经变为1了，于是，拿到i=1 ，重新执行 i = i+1 ，并写入到主内存中。（假设仅仅有2个线程。）
5.引发新问题 ABA 问题：
概念：线程a在最终写入主内存时，仅仅会比较当前值，而不关注他的变化过程（他可能由 0—>1>0）
解决方案：加一个版本号，乐观锁

   //如果不相等的话，则继续执行一遍，再拿出值，进行比较，直到相等 则写入。
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); //native 实现。
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));//native 实现。

        return var5;
    }
//引出汇编指令(也就是说硬件直接支持)如果为多个cpu则加个lock
lock cmpxchg    => compare  exchange（lock保证原子性，其他cpu无法访问）
volatile 和syn  都是通过它实现

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java在内存中的存储布局

1.Object o = new Object()在内存中占用多少个字节？ => 16个字节（内容为空，比如说：int 4个字节，对象引用4个字节）
2.对象头 markword 8个字节（锁信息、分带年龄）（=>可以回顾一下垃圾回收过程：CMS 6 JVM 15 默认）
-- a.new -> 偏向锁-> 轻量级锁(无锁、自旋锁、自适应锁)->重量级锁 （syn的优化过程）
3.class 对象指针，指向class对象（默认开启压缩，被压缩 成4个字节，原8个）
4.实例数据：对象中存的数据、int 4个字节，string 4个字节（压缩后）
5.对齐（若不为8的倍数，则自动补齐，优化方式，8字节更快）

//依赖

            org.openjdk.jol
            jol-core
            0.10


//测试代码
  public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
    }

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Syn的优化过程

前置知识：由用户态 向 内核态申请重量锁 ，非常耗费资源。
1.无锁
2.偏向锁（存放线程指针、 偏向锁标记为1）：线程执行任务是很快的，一般也不会冲突，因此，默认只需要加一个标记，而不需要上锁
3.轻量级锁（自旋锁，也就无锁）：释放偏向锁，记录Lock Record （CAS ）缺点：耗费CPU，适用于竞争不太激烈的情况
4.重量级锁，指向重量级锁（mutex 互斥量）的指针，锁标记为10，当竞争加剧、或者自旋超过 n次，则升级，每一个重量级锁都有一个队列，没被执行的任务、是不会占用cpu的
5.GC标记信息：CMS过程用到的标记信息 锁状态为11
6：上锁时，hashCode 会被 存放到LR中。

锁降级、锁消除和锁粗化

1.锁降级 -> GC的时候会发生
2.锁消除，如果JVM发现某个局部变量、并不会被其他线程调用，则会把syn取消
3.锁粗化，如果一直循环的在加锁、释放锁，JVM会优化成只在while中加一次锁。

Syn的最底层实现

linux +HSDIS 做测试
HSDIS 反汇编工具 HotSpot Di assembly
·JIT Just In Time 及时编译器 ，将热点代码直接编译成机器语言，而不在重新编译了。
最终会发现加了syn 或者使用了volatile变量 的方法 底层都是 lock cmpexh

Syn的实现过程

1.java代码：synchronized 关键字
2.字节码 monitorenter moniterexit
3.jvm 在执行过程中自动升级
4.硬件级 汇编语言 comxchg (compare and exchange)

Volatile

前置知识：
计算机组成原理： 核心就是CPU+内存+外设（硬盘、显示器、网卡等等。）
执行过程：内存中存放的就是指令，CPU获取、并执行指令。
PC寄存器 是存放下一条指令的位置

ALU：计算
cache:多级缓存（ 金字塔结构 容量大、速度慢。 寄存器最快、硬盘最慢 （1:100w））
cache：就是缓存 用来提升访问速度的。
进程和线程的区别：线程是CPU执行的基本单位。进程是CPU分配资源的基本单位。
线程切换：Context Switch 当2线程进行切换时，需要将正在执行的线程的数据进行保存。再执行第二个线程。
超线程：一个ALU对应2组PC|Registers ，每个线程对应一组 PC|Registers ，因此 多线程进行切换时，并不需要保存当前线程的的数据。这就是所谓的四核八线程，因此线程切换的速度更快了。
缓存行 cache line：按行读取（获取变量时，会把相邻数据一同获取过来，最近优先原则）一行数据是64个字节。
缓存行越大，局部效率越高、但读取时间慢、
缓存行越小、局部性效率低、但读取时间快、（目前最优选择64字节）
MESI （E（exclusive）、M（modified）、S（shared）、I（invalid））缓存一致性协议、不同的CPU用的协议都是不一样的。（省略详细过程）

基础作用：
保证线程间的可见性。（每个线程都有自己的内存空间，获取变量时，会复制一份到内存中，当主内存中的值变化时，会同步到各个线程中。）

禁止指令重排：
概念：CPU的乱序执行，比如说 step1 需要耗费100ms step2 需要10ms。则step2可能与step1并行。则step2先执行完毕。（测试案列：略）
实现方式如下：
JVM：内存屏障
汇编：lock指令

源自马士兵2020年最新Java多线程高并发编程详细讲解公开课：
https://www.bilibili.com/video/BV1xK4y1C7aT?p=2

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