java併發基礎知識

java的偏向鎖、輕量鎖、重量鎖

        java的鎖是經過C++的CAS機制完成的。JVM隱藏了底層細節，提供synchronized關鍵字給工程師實現同步，其中包含了：偏向鎖，輕量鎖，重量鎖等狀態。而JDK5以後的concurrent包裏面的lock,atomic,semaphore則是經過CAS來實現，比JVM的鎖更加高效。下面記錄下synchronized的偏向鎖、輕量鎖、重量鎖。

一、CAS

        CAS（Compare and Swap）：比較設置。用於在硬件層面上提供原子性操做。在intel處理器中，比較並交換經過指令cmpxchg實現。比較是否和給定的數值一致，若是一致則修改，不一致則不修改。

        JVM規範規定：JVM基於進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步，但二者的實現細節不同。

        代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實現，而方法同步是使用另一種方式實現的，細節在JVM規範裏並無詳細說明，可是方法的同步一樣可使用這兩個指令來實現。

        monitorenter指令是在編譯後插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結束處和異常處， JVM要保證每一個monitorenter必須有對應的monitorexit與之配對。任何對象都有一個 monitor 與之關聯，當且一個monitor 被持有後，它將處於鎖定狀態。

        線程執行到 monitorenter 指令時，將會嘗試獲取對象所對應的 monitor 的全部權，即嘗試得到對象的鎖。

        java的併發同步關鍵字（synchronized）以及lock、aotmic，semaphore都是經過CAS機制構建的。不一樣在於synchronized是JVM直接隱藏了實現細節，方便工程師使用，包含了：偏向鎖、輕量鎖、重量鎖。而最新的concurrent包是直接將cas操做交給工程師，以此實現高併發。

二、 Java的對象頭

        java的對象頭主要用來存放java對象在heep空間中的一些重要信息，固然也包括了對象鎖信息。一、對象是數組類型，則虛擬機用3個Word（字寬）存儲對象頭。二、對象是非數組類型，則用2字寬存儲對象頭。在32位虛擬機中，一字寬（機器寬度）等於四字節，即32bit。

    其中的Mark World字節用來存放對象的hashCode，分代年齡、所標記。

    32位的Mark World的默認（無鎖狀態）結構以下：

    有鎖狀態：

    a、32位

    b、64位

三、鎖

        Synchronized經過JVM的鎖機制來實現，爲了減小鎖的獲取和釋放帶來的性能消耗，引入了「偏向鎖」、「輕量鎖」。因此在javase1.6以後有四種狀態：無鎖、偏向鎖狀態、輕量鎖狀態、重量鎖狀態。它們會隨着競爭逐漸升級，可是鎖不能降級。

        a、偏向鎖：（無CAS機制：不須要獲取moniter）

    

    

        Hotspot的做者通過以往的研究發現大多數狀況下鎖不只不存在多線程競爭，並且老是由同一線程屢次得到，爲了讓線程得到鎖的代價更低而引入了偏向鎖。

        流程：

        一、偏向鎖獲取：當一個線程訪問同步塊並獲取鎖時，會在對象頭和棧幀中的鎖記錄裏存儲鎖偏向的線程ID，之後該線程在進入和退出同步塊時不須要花費CAS操做來加鎖和解鎖，而只需簡單的測試一下對象頭的Mark Word裏是否存儲着指向當前線程的偏向鎖（直接先去匹配鎖的線程ID是否和當前線程ID相同--直接檢測結果）。

            若是測試成功，表示線程已經得到了鎖；

            若是測試失敗，則須要再測試下Mark Word中偏向鎖的標識是否設置成1（表示當前是偏向鎖）。若是沒有設置，則使用CAS競爭鎖（輕量鎖）；若是設置了，則嘗試使用CAS將對象頭的偏向鎖指向當前線程。（也就是當前對象鎖使用的是偏向鎖，則將其修改並指向本身。若是偏向鎖沒有被使用，則直接使用輕量鎖來獲取Monitor）

       二、 偏向鎖的撤銷：偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，因此當線程B嘗試競爭偏向鎖時，持有偏向鎖的線程A纔會釋放鎖。偏向鎖的撤銷，須要等待全局安全點（在這個時間點上沒有字節碼正在執行）：它會首先暫停擁有偏向鎖的線程A，而後檢查持有偏向鎖A的線程是否活着，若是線程不處於活動狀態，則將對象頭設置成無鎖狀態，若是線程仍然活着，擁有偏向鎖的棧會被執行，遍歷偏向對象的鎖記錄，棧中的鎖記錄和對象頭的Mark Word要麼從新偏向於其餘線程，要麼恢復到無鎖或者標記對象不適合做爲偏向鎖，最後喚醒暫停的線程。

       （例如：線程A全部獲取偏向鎖，操做完了直接進行其它操做，不釋放（節約性能）。線程B須要獲取偏向鎖，首先經過CAS發現偏向鎖狀態爲1，說明當前對象是使用的偏向鎖。而後通知JVM，JVM在全局安全點上。暫停線程A，讓其釋放偏向鎖）

            關閉偏向鎖：偏向鎖在Java 6和Java 7裏是默認啓用的，可是它在應用程序啓動幾秒鐘以後才激活，若有必要可使用JVM參數來關閉延遲-XX：BiasedLockingStartupDelay = 0。若是你肯定本身應用程序裏全部的鎖一般狀況下處於競爭狀態，能夠經過JVM參數關閉偏向鎖-XX:-UseBiasedLocking=false，那麼默認會進入輕量級鎖狀態。

        b、輕量鎖和重量鎖（用CAS機制來獲取對象的Monitor）

            

        一、輕量級鎖加鎖：線程在執行同步塊以前，JVM會先在當前線程的棧楨中建立用於存儲鎖記錄的空間，並將對象頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱爲Displaced Mark Word。而後線程嘗試使用CAS將對象頭中的Mark Word替換爲指向鎖記錄的指針。若是成功，當前線程得到鎖，若是失敗，表示其餘線程競爭鎖，當前線程便嘗試使用自旋來獲取鎖。

        ps：自旋至關於

public volatitle boolean flag=false;

public void getSyn(){
      while(!flag){
          flag=true;
          //dosomething
          flg=false;
      }
}

一直不斷的循環，想進行操做

        二、輕量級鎖解鎖：輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操做來將Displaced Mark Word替換回到對象頭，若是成功，則表示沒有競爭發生。若是失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。

     PS:

           獲取： 線程A獲取輕量鎖，將Mark World複製到線程A的鎖存儲空間，修改鎖狀態爲00，指針指向線程A的Mark World（輕量鎖）。

            線程B想獲取Monitor，可是鎖狀態爲00。就會一直自旋，直到達到必定次數（JVM決定），將鎖狀態修改成01（重量鎖：線程B阻塞狀態）

            釋放：線程A操做完成後，發現鎖狀態是00（不是重量鎖：線程B阻塞狀態）則。將Mark World複製回去。若是鎖狀態是01（線程B處於阻塞狀態），則直接Mark World複製回去、將阻塞線程釋放（將其踢出等待隊列，回到start（）狀態）。最後修改鎖狀態爲11.

        c、鎖的比較

        綜合理解synchronized的不一樣鎖：

          一、偏向鎖：使用完後不須要當即釋放，效率很高。且獲取方式不須要複製Monitor。

          二、輕量鎖和重量鎖：使用完須要當即釋放鎖，重量鎖狀態就是線程阻塞狀態。

          三、Monitor的獲取（複製）和釋放（複製回去）都須要很高的CPU資源。

          四、追求響應速度：例如網站，須要很快的響應時間。這也是concurrent包裏面的locak、aotmic、semaphore大量使用的緣由。（CPU須要拿更多的時間去切換線程來不斷的CAS，判斷是否能獲取鎖）

          五、吞吐量：例如科學計算，不最求響應時間，追求的是運算量。（CPU大部分時間拿去計算）

    

參考：

    java的Monitor機制：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-lo-synchronized/     

   方騰飛：聊聊併發