java併發機制與底層實現原理

java併發機制與底層實現原理

volatile

volatile是輕量級的synchronize,它在多處理器開發中保證了共享變量的「可見性」，由於它不會引發線程上下文的切換和調度，因此比synchronize的使用和執行成本更底。
爲了提升處理速度,處理器不直接和內存進行通訊,而是先將系統內存的數據讀到內部緩存(L1,L2或其餘)後再進行操做,但操做完不知道什麼時候會寫到內存。使用volatile變量，在操做後，JVM會發出lock指令

• 將當前處理器緩存行的數據寫回到系統內存
• 這個寫回內存的操做會使在其餘cpu裏緩存了該內存地址的數據無效

synchronize

同步基礎

synchronize實現同步的基礎，具體表現爲三種形式

• 對於普通同步方法，鎖是當前實例對象
• 對於靜態同步方法，鎖是當前類的class對象
• 對於同步方法塊，鎖是Synchronize括號裏配置的對象

當一個線程試圖訪問同步代碼塊時，它首先必須獲得鎖，退出或拋出異常時必須釋放鎖。那麼鎖到底存在那裏，鎖裏會存儲什麼信息。

java對象頭

synchonize用的鎖是存在java對象頭裏的。若是對象是數組類型，則JVM用三個字寬存儲對象頭，若是對象爲非數組類型，則用二個字寬存儲對象頭。32位中，一字寬等於四字節(32bit)

長度	內容	說明
32/64bit	Mark Word	存儲對象的hashCode或鎖信息等。
32/64bit	Class Metadata Address	存儲到對象類型數據的指針
32/64bit	Array length	數組的長度（若是當前對象是數組)

在運行期間Mark Word裏存存儲的數據會隨着鎖標誌位的變化而變化。會成爲下面的一種

鎖類型

爲了減小得到鎖與釋放鎖所帶來的性能消耗，引入「偏向鎖」和「輕量級鎖'.因此在java中存在四種狀態

• 無鎖狀態
• 偏向鎖狀態
• 輕量級鎖狀態
• 自旋鎖
• 重量級鎖狀態

它會隨着競爭狀況逐漸升級。鎖能夠升級但不能降級，意味着偏向鎖升級成輕量級鎖後不能降級成偏向鎖

偏向鎖

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。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。

流程圖中展現偏向鎖的獲取釋放以及升級至輕量鎖

輕量級鎖

1.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。

2.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。下圖是兩個線程同時爭奪鎖，致使鎖膨脹的流程圖。
借用網上流程圖以下:

自旋鎖

當竟爭存在時，若是線程能夠很快得到鎖，那麼能夠不在OS層掛起線程（線程切換平均消耗8K個時鐘週期），讓線程多作幾個空操做（自旋）

1. 若是同步塊過長，自旋失敗，會下降系統性能
2. 若是同步塊很短，自旋成功，節省線程掛起切換時間，擔升系統性能

鎖對比

鎖	優勢	缺點	適用場景
偏向鎖	加鎖和解鎖不須要額外的消耗，和執行非同步方法比僅存在納秒級的差距。	若是線程間存在鎖競爭，會帶來額外的鎖撤銷的消耗。	適用於只有一個線程訪問同步塊場景。</td
輕量級鎖	競爭的線程不會阻塞，提升了程序的響應速度。	若是始終得不到鎖競爭的線程使用自旋會消耗CPU	追求響應時間。同步塊執行速度很是快。
重量級鎖	線程競爭不使用自旋，不會消耗CPU。	線程阻塞，響應時間緩慢。	追求吞吐量。同步塊執行速度較長。

總結

• 偏向鎖，輕量級鎖，自旋鎖不是JAVA語言層上的優化方法

• 內置於JVM中的獲取鎖的優化方法與獲取鎖的步驟

  1. 偏向鎖可用可先嚐試偏向鎖
  2. 輕量級鎖可用可先嚐試輕量級鎖
  3. 1與2都失敗，則嘗試自旋鎖
  4. 再失敗，嘗試普通鎖，使用OS互斥量在操做系統層掛起