java 鎖

1、 Java併發編程的三個概念

　　原子性：一個或多個操做要麼所有執行成功要麼所有執行失敗；

　  可見性：當多個線程訪問同一個變量時，若是其中一個線程對其做了修改，其餘線程能當即獲取到最新的值；

　  有序性：程序執行的順序按照代碼的前後順序執行（處理器可能會對指令進行重排序）；

 

2、單核CPU到多核CPU的變化 

　　CPU愈來愈快，主存逐漸跟不上cpu的頻率，cpu須要等待主存浪費資源。因此cache的出現主要爲了解決cpu和內存之間頻率不匹配的問題。

但cache也帶來了新的問題，併發處理的不一樣步（不過能夠經過總線鎖和緩存一致性來解決）。

　　

3、重排序

　　在執行程序時，爲了提升性能，編譯器和處理器經常會對指令作重排序。

　　重排序分類

　　　　

　　　　一、編譯器優化的重排序：編譯器在不改變單線程程序語義的前提下，能夠從新安排語句的執行順序。

　　　　二、指令級並行的重排序：現代處理器採用了指令級並行技術（Instruction-Level Parallelism，ILP）來將多條指令重疊執行。

　　　　　　若是不存在數據依賴性，處理器能夠改變語句對應機器指令的執行順序。

　　　　三、內存系統的重排序：因爲處理器使用緩存和讀/寫緩衝區，這使得加載和存儲操做看上去多是在亂序執行。以下圖：

　　　　

　　重排序的原則：as-if-serial語義

　　　　as-if-serial語義的意思是：無論怎麼重排序（編譯器和處理器爲了提升並行度），單線程程序的執行結果不能被改變。

　　　　編譯器、runtime和處理器都必須遵照as-if-serial語義。

　　　　爲了遵照as-if-serial語義，編譯器和處理器不會對存在數據依賴關係的操做作重排序。數據依賴關係以下圖所示：

　　　　

 　　　　as-if-serial語義只能保證單線程下，重排序引發的問題。在多線程狀況下，不存在數據依賴關係的重排序也會破壞程序的意圖。

　　　　

　　　　單線程狀況下，控制依賴關係的重排序，不影響最終結果。多線程狀況下，則可能會破壞程序的意圖。

 

　　　　

 

　　JMM禁止重排序的措施：

　　　　一、對於編譯器，JMM的編譯器重排序規則會禁止特定類型的編譯器重排序（不是全部的編譯器重排序都要禁止）。

　　　　二、對於處理器重排序，JMM的處理器重排序規則會要求Java編譯器在生成指令序列時，插入特定類型的內存屏障（Memory Barriers，Intel稱之爲MemoryFence）指令，

　　　　　  經過內存屏障指令來禁止特定類型的處理器重排序。

　　JMM的內存屏障插入策略：Load：加載（讀）、Store：保存（寫），屏障名稱就能夠看出讀寫的前後順序） 

　　　　一、在每一個volatile寫操做前插入StroreStore屏障 
　　　　二、在每一個volatile寫操做前插入StroreLoad屏障 
　　　　三、在每一個volatile讀操做前插入LoadLoad屏障 
　　　　四、在每一個volatile讀操做前插入LoadStore屏障

 

4、Volatile 

　　　　volatile是輕量級的synchronized,它在多處理器開發中保證了共享變量的「可見性」。volatile不會引發上下文的切換和調度（禁止指令重排），執行開銷更小。　　

　　Volatile 的特性：

　　　　可見性：對一個volatile變量的讀，老是能看到(任意線程）對這個volatile變量最後的寫入。

　　　　原子性：對任意單個volatile變量的讀/寫具備原子性，但相似於volatile++這種複合操做不具備原子性。

　　Volatile 的原理：

　　　　1. 使用volitate修飾的變量在彙編階段，會多出一條lock前綴指令（ACC_VOLATILE）

　　　　2. 它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障以前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的後面；

　　　　　 即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操做已經所有完成

　　　　3. 它會強制將對緩存的修改操做當即寫入主存

　　　　4. 若是是寫操做，它會致使其餘CPU裏緩存了該內存地址的數據無效

　　volatile寫-讀創建的happens-before關係:

　　　　volatile的寫-讀與鎖的釋放-獲取有相同的內存效果。

　　　　這裏A線程寫一個volatile變量後，B線程讀同一個volatile變量。

　　　　A線程在寫volatile變量以前全部可見的共享變量，在B線程讀同一個volatile變量後，將當即變得對B線程可見。

　　

　　Volatile 寫-讀的內存語義：

　　　　當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存中的共享變量值刷新到主內存。

　　　　當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存置爲無效。線程接下來將從主內存中讀取共享變量。

　　　　注：關於volatile變量重排序，嚴格限制編譯器和處理器對volatile變量與普通變量的重排序，確保volatile的寫-讀和鎖的釋放-獲取具備相同的內存語義。

　　　　 

　　　　

　　　　JMM重排序分爲編譯器重排序和處理器重排序，JMM會限制這兩種類型的重排序類型來保證volatile的內存語義

　　　　一、第二個操做是volatile寫時，第一個操做不論是什麼，都不能重排序 
　　　　二、第一個操做是volatile讀時，第二個操做不論是什麼，都不能重排序 
　　　　三、第一個操做是volatile是寫，第二個操做是volatile是讀，不能重排序

　　volatile和synchronized的區別：　

　　　　volatile本質是在告訴jvm當前變量在寄存器（工做內存）中的值是不肯定的，須要從主存中讀取；

　　　　synchronized則是鎖定當前變量，只有當前線程能夠訪問該變量，其餘線程被阻塞住。

　　　　volatile僅能使用在變量級別；synchronized則可使用在變量、方法、和類級別的

　　　　volatile僅能實現變量的修改可見性，不能保證原子性；而synchronized則能夠保證變量的修改可見性和原子性

　　　　volatile不會形成線程的阻塞；synchronized可能會形成線程的阻塞。

　　　　volatile標記的變量不會被編譯器優化；synchronized標記的變量能夠被編譯器優化

 

5、Synchronized 鎖

　　　　synchronized 是JVM實現的一種鎖，其中鎖的獲取和釋放分別是monitorenter 和 monitorexit 指令，該鎖在實現上分爲了偏向鎖、輕量級鎖和重量級鎖，

　　其中偏向鎖在 java1.6 是默認開啓的，輕量級鎖在多線程競爭的狀況下會膨脹成重量級鎖，有關鎖的數據都保存在對象頭中。

　　　　對於普通同步方法，鎖是當前實例對象；

　　　　對於靜態同步方法，鎖是當前類Class對象；

　　　　對於同步方法塊，鎖是Synchronized括號裏配置的對象；

　　synchronized 的原理

　　　　加了 synchronized 關鍵字的代碼段，生成的字節碼文件會多出 monitorenter 和 monitorexit 兩條指令（利用javap -v *.class字節碼文件）

　　　　加了 synchronized 關鍵字的方法，生成的字節碼文件中會多一個 ACC_SYNCHRONIZED 標誌位，當方法調用時，調用指令將會檢查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 訪問標誌是否被設置，

　　　    若是設置了，執行線程將先獲取monitor，獲取成功以後才能執行方法體，方法執行完後再釋放monitor。在方法執行期間，其餘任何線程都沒法再得到同一個monitor對象。

　　　　其實本質上沒有區別，只是方法的同步是一種隱式的方式來實現，無需經過字節碼來完成。

　　synchronized 的缺點

　　　　一、會讓沒有獲得鎖的資源進入Block狀態，爭奪到資源以後又轉爲Running狀態，這個過程涉及到操做系統用戶模式和內核模式的切換，代價比較高。

　　　　二、Java1.6爲 synchronized 作了優化，增長了從偏向鎖到輕量級鎖再到重量級鎖的過分，可是在最終轉變爲重量級鎖以後，性能仍然較低。

　　鎖的獲取和釋放 創建的happens-before關係

　　　　

 

　　鎖的釋放和獲取的內存語義

 　　　　JMM會把該線程對應的本地內存置爲無效。從而使得被監視器保護的臨界區代碼必須從主內存中讀取共享變量。

　　　　鎖釋放與volatile寫有相同的內存語義；鎖獲取與volatile讀有相同的內存語義。

　　　　線程A釋放一個鎖，實質上是線程A向接下來將要獲取這個鎖的某個線程發出了（線程A對共享變量所作修改的）消息。

　　　　線程B獲取一個鎖，實質上是線程B接收了以前某個線程發出的（在釋放這個鎖以前對共享變量所作修改的）消息。

　　　　線程A釋放鎖，隨後線程B獲取這個鎖，這個過程實質上是線程A經過主內存向線程B發送消息。