JVM-JVM支持高并发底层原理精讲

一、透彻掌握高并发-从理解JVM开始

二、从线程的开闭看JVM的作用

1.run方法

启动start方法，会调用底层C++方法，告诉操作系统当前线程处于可运行状态，而如果直接调用run方法，则就不是以线程的方式来运行了，只是当做一个普通的方法来执行。

2.stop方法 -不推荐使用，stop是强制执行，不管是否正在运行，在做什么，直接停止。

3.如何中断一个阻塞线程

关闭处于阻塞中的线程：

按照上面关闭普通线程的方式，来关闭阻塞中的线程，会发现报了一个异常，首先需要明确的是，

这个异常不是错误。

继续修改下代码

当线程即使处于阻塞的时候，线程不再收到信号，线程也是可以收到一个异常，可以这个异常理解为一个信号，就像闹钟一样就会响，强制这个线程做出一定的响应，而这个异常就是这个子线程的那种，当调用线程终止方法，就会触发这个异常。

这里为什么没有停止呢，这是因为当阻塞的时候，父线程只能给子线程发停止的信号，要不要停止子线程说了算。

再修改下代码

重新执行，子线程自己停止了线程(即Main方法的thread.interrupt()只是发了一个停止的信号，实际子线程停止是子线程自己负责执行)。

这也就是为什么一般写代码遇见wait、sleep要加这个异常。

大白话：

        Java线程调用start(),JVM通过C++调用操作系统的线程接口，由操作系统创建一个线程，再由CPUrun(执行)这个线程;

        同理Java调通stop或interrupt(),JVM通过C++调用操作系统的线程停止接口，再由CPU收到stop命令停止线程。

三、原子性问题的产生原因与解决方案

package ch12_thread.class2;

/**
 * 测试线程的原子性
 */
public class CasExampleTest1 {
    private int i;
    public void incr(){
        i++;
    }
}

mac@MacdeMBP class2 % javap -v CasExampleTest1.class 
Classfile /Users/mac/IdeaProjects/OOM/JVMSample/src/main/java/ch12_thread/class2/CasExampleTest1.class
  Last modified 2024-1-11; size 309 bytes
  MD5 checksum 7baf13265d8f13f9acf4aacb6a6ef3b4
  Compiled from "CasExampleTest1.java"
public class ch12_thread.class2.CasExampleTest1
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#14         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Fieldref           #3.#15         // ch12_thread/class2/CasExampleTest1.i:I
   #3 = Class              #16            // ch12_thread/class2/CasExampleTest1
   #4 = Class              #17            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               i
   #6 = Utf8               I
   #7 = Utf8               
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               incr
  #12 = Utf8               SourceFile
  #13 = Utf8               CasExampleTest1.java
  #14 = NameAndType        #7:#8          // "":()V
  #15 = NameAndType        #5:#6          // i:I
  #16 = Utf8               ch12_thread/class2/CasExampleTest1
  #17 = Utf8               java/lang/Object
{
  public ch12_thread.class2.CasExampleTest1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0

  public void incr();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field i:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field i:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 10: 10
}
SourceFile: "CasExampleTest1.java"

改造成多线程代码

package ch12_thread.class2;

public class AtomicExample {
    private int i = 0;

    public void incr() {
        i++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final AtomicExample atomicExample = new AtomicExample();
        Thread[] threads = new Thread[2];

        for(int j = 0; j < 2; j++){
            threads[j] = new Thread(() -> {
                for (int k = 0; k < 10000; k++){
                    atomicExample.incr();
                }
            });
            threads[j].start();
        }

        threads[0].join();
        threads[1].join();
        // 预期结果 20000
        System.out.println(atomicExample.i);
    }
}

运行结果：

结果13644与预期20000不符，CPU切换导致原子性问题。

修改代码, incr方法加同步锁

再次执行

执行结果与预期结果一致。

大白话：

        (1)在早期32位，这时一个Long型数据非常大62位，会将数据分为低32位、高32位，最后合在一起，这时中间被打断，这个数据可能就不准确了，而CPU层保证内存操作原子性就是说CPU去读取数据保证内存操作的原子性，中间不会发生中断，保证数据读取准确。

        (2)CPU和数据之间通过公共总线通信，当CPU-1读取变量时，给总线加锁，保证这个变量不能被其他CPU读取，当CPU-1操作完，将数据存回内存后，在放开总线锁，其他CPU继续访问操作。

        (3)对Cache加锁，后续课程解释。

大白话：

        临界区加锁，就是对临界区资源(数据)加锁，保证操作安全，操作完后解锁。缺点，耗时，不需要加锁的也加锁了，影响性能。

四、CAS与乐观锁原理

乐观锁 - 将数据比较判断提交到汇编层面执行，保证数据一致性，没有发生冲突继续执行，如果发生冲突再想办法解决。

前面的代码是通过加synchronized同步锁完成的，现在通过在不加锁使用原子类完成

五、可见性问题的本质

package ch12_thread.class5;

public class VolatileExample {

    public static boolean stop = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
           int i = 0;
           while (!stop) {
               i++;
           }
            System.out.println("finish while ...");
        });

        t1.start();
        System.out.println("t1 start ...");
        Thread.sleep(1000);
        stop = true;
    }
}

上面的子线程是否收到stop变量的变化，并最终终止循环输入"finish while ..."

执行结果：

发现在主线程改变静态变量的值，子线程是看不到的变化的。

继续修改代码，给stop变量加上voliatile参数

运行结果：

造成这种情况的原因：

        线程内部、CPU有缓存，当变量改变时，线程之间、CPU之间感知不到。

当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值

这里涉及到MSEI缓存一致性协议,具体讲解见

白话MESI缓存一致性协议_msei-CSDN博客

六、顺序性问题的本质和valatile的源码实现原理screenflow

package class6;

/**
 * 顺序性问题演示
 */
public class MemoryReorderingExample {
    private static int x = 0, y = 0;
    private static int a = 0, b = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int count = 0;
        while (true) {
            x = 0;
            y = 0;
            a = 0;
            b = 0;

            count++;

            Thread t1 = new Thread(() -> {
                a = 1;
                x = b;
            });

            Thread t2 = new Thread(() -> {
                b = 1;
                y = b;
            });

            // 情况1.t1先执行，y=1, x=0
            // 情况2.t2先执行，x=1, y=0
            // 情况3.t1和t2同时执行，x=1, y=1

            t1.start();
            t2.start();
            t1.join();
            t2.join();

            if(x == 0- && y == 0){
                System.out.println("第" + count + "次 x=" + x + "y=" + y);
                break;
            }
        }
    }
}

运行结果：

正常情况下，不应该出现x==0&&y==0,但是实际测试结果，出现了x==0&&y==0。

为什么会出现这种情况呢，其实是因为出现了指令重排序问题。

当t1线程的x=b，从a=1代码的下面，移动到a=1代码的上面，且t2线程的y=a，从b=1代码的下面移动到b=1代码的上面，就会计算出x==0&&y==0，这种问题就是顺序性问题。

编译器优化场景举例：

        上图这种情况，编译器认为左边代码太消耗资源，会自动优化成右边代码。

那么针对前面的这种重排序问题，怎么解决呢？

最简单的解决方法，是加锁！

多运行一些时间，没有发现问题

刚才的案例里，使用synchronized关键字，主要作用是加锁，最大缺点是性能低。

大白话:

        java层面设置volatile,JVM转换成C++程序，C++通过操作系统操作一系列硬件指令，通过操作内存屏障保证顺序性问题，通过lock锁操作缓存行，保证不同的缓存之间是一致的。

七、Java里的对象到底是什么

大白话：

        这里的加锁即synchronized，加锁后具体是哪种锁(偏向锁、轻量级锁、重量级锁) ，都有可能。

        堆中对象能否使用，基于以下几种状态判断：

        1.无锁 - 堆中的对象无锁，可以直接使用；

        2.偏向锁 - 堆中对象被线程占用，对象的对象头会存在偏向锁，保存线程ID，别的线程发现这个对象中有线程信息了，被标记偏向锁，就不能使用了；

        3.轻量级锁 - 对象竞争比较弱，就会采用轻量级锁；

        4.重量级锁 - 好多线程都来访问同一个对象，对象竞争比较强，这个对象加重量级锁，第一个线程处理完了，第二个线程再使用，依次使用。

通过JOL查看Java对象信息

    
      org.openjdk.jol
      jol-core
      0.9
      provided
    
  

package class6;

public class MyObject {
}

package class6;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

// -XX:+UseCompressedOops 默认开启的压缩所有指针
// -XX:+UseCompressedClassPointers 默认开启的压缩对象头的类型执行Klass Pointer
// Oops : Ordinary Object Pointers
public class JOLSample {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(new MyObject());
        System.out.println(layout.toPrintable());
    }
}

开启压缩后

占了12个字节，不够8的整数倍，还差4个字节，这四个字节，也就是说还可以放其他信息。

八、synchronized锁的状态与实现原理

1.无锁

对应

说明是无锁状态。

2.偏向锁

在同一时刻，有且只有一个线程执行了这个同步锁方法，而且并没有发生竞争的情况，这个时候锁的状态就是偏向锁。

对应

3.轻量级锁

已经发生多线程冲突了，但是不太严重，具体实现CAS（乐观锁）。

当没有多线程访问的状态，就是轻量级锁。

对应锁标志位00

4.重量级锁

很多线程访问对象时，对象已经被锁住，这时，其他线程也来抢占对象，则升级为重量级锁。 

演示代码：

package class6;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class HeavyLockExample {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final HeavyLockExample heavy = new HeavyLockExample();
        System.out.println("加锁之前");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(heavy).toPrintable());
        Thread t1 = new Thread(() -> {
           synchronized (heavy){
               try{
                   TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
        });
        t1.start();
        //确保t1线程已经运行
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);
        System.out.println("t1线程抢占了锁");
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(heavy).toPrintable());
        synchronized (heavy) {
            System.out.printf("main线程来抢占锁");
            System.out.printf(ClassLayout.parseInstance(heavy).toPrintable());
        }
//        System.gc();
//        System.out.printf(ClassLayout.parseInstance(heavy).toPrintable());
    }
}

一开始，heavy无锁

t1抢占后，heavy变为轻量级锁

main线程，再去抢占对象，变为重量级锁

注：偏向锁不太好演示出来。