java并发编程3——volatile和synchronized的底层

java并发编程3——volatile和synchronized的底层

java代码编译成字节码，然后被类加载器加载到jvm中，jvm执行，最终转换为汇编指令在cpu上执行，java的并发机制其实依赖的是jvm和cpu的指令。

volatile

volatile加在共享变量上，保证所有线程看到这个变量的值是一致的，即valoatile变量相当于加了一个读写锁，是通过原子操作实现的。

实现原理：汇编代码给volatile变量加了lock前缀指令。

lock指令：将当前cpu缓存的volatile变量立刻写回系统内存，并且使其他cpu缓存中的volatile变量数据无效。（是通过硬件的EMSI实现，不懂的朋友可以参考上篇EMSI的文章）

synchronized

synchronized保证一个方法或者代码块同时只有一个线程执行（不会发生中断和抢占）。

Java中每个对象都可以作为锁（对象头）
具体实现：

1. 普通同步方法：锁是当前实例对象。

2. 静态同步方法：锁是当前类的class文件。

3. 对于配置了synchonized对象的，锁是配置对象。

当进程访问代码块时，必须先得到锁，退出或抛出异常时释放锁。

synchronized是通过jvm实现的，jvm是通过monitorenter和monitorexit指令实现的。

monitorenter获得对象锁，monitorexit释放对象锁。对象锁存在于对象头中。

对象头的内容

markword：存储对象的hashcode和锁信息。
ClassMetadataAddress：对象的元数据（包括方法表，构造方法，成员变量。。）
arrayLength：数组的长度（如果是数组的话,如果不是数组没有这个)

锁存在于MarkWord中：

锁状态	25bit	4bit	1bit是否是偏向锁	2bit锁标志位
	对象的hashcode	对象分代年龄	0	01

各种锁的MarkWord：

轻量级锁	指向	栈中锁记录的	指针	00
重量级锁	指向互斥	量（重量级锁）	的指针	10
GC标记				11
偏向锁	线程ID	epoch，对象分代年龄	1	01

（2）锁升级

在synchronized中有四种级别的锁：无锁状态，偏向锁状态，轻量级锁状态，重量级锁状态。

锁只能升级，不能降级。

（1）偏向锁：一个锁由一个对象多次获得，为了代价最低，引入了偏向锁

当一个线程获得了无锁状态的锁，那么就会将自己线程ID通过CAS记录进对象头MarkWord中，从无锁升级为偏向锁。

当线程再次获得了锁对象，就检测一下锁对象的对象头的MardWCASDord中的偏向锁是否是自己的线程ID，如果是直接用，如果不是则用CAS修改为自己的线程ID，然后使用。

如果CAS一次成功则获得偏向锁，如果失败则进行锁升级。

（2）轻量级锁（不会阻塞线程，线程自适应自旋拿锁）：

jvm现在当前线程的栈中创建用于存储锁记录的空间，并且将对象头中的MarkWord复制到锁记录中，然后线程会尝试用CAS将对象头中的markword替换为指向锁的指针（指向栈中锁的指针），如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他进程在竞争锁，当前线程便使用自旋来获得锁。

如果自旋很多次都没有获得锁，那么就会膨胀成重量级锁。

（3）重量级锁（阻塞线程）

这是一个操作系统的互斥锁（或者是信号量），一旦线程完成了synchronized就会释放锁，其他进程竞争锁。
开销比较大，应对的是高竞争。
没有获得锁的进程会进入阻塞，当有锁时候会被唤醒，这会造成上下文切换，造成较大的性能损失。

处理器实现原子操作

当存在跨总线宽度，跨多个缓存行和跨页表时候，处理器不能保证其原子性，但是可以提供总线锁定和缓存锁定来保证原子性。

MESI协议
（1）总线锁定：当一个cpu处理时，其他cpu无法访问这个内存。
（2）缓存锁定：使用缓存一致性MESI，使用缓存行时候，其他cpu缓存中的共享缓存行设置为invalied。