java并发底层实现原理 ABA存疑

并发三要素

原子性：不可被中断的一个或一系列操作
可见性： 当一个线程修改一个共享变量时，另一个线程能读到修改的值
有序性：

volatile应用

volatile 可见性

volatile instance = new Singleton()

//汇编指令
movb $0x0 , 0x1104800(%esi)
lock addl $0x0 ,(%esp)

Lock前缀多处理器效果
1、将当前处理器缓存行的数据写回系统内存
2、这个写回内存的操作会使其他CPU里缓存了该地址数据无效

synchronized 重量级锁
jvm基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步
指令 monitorenter 开始
指令 monitorexit 结束 异常处
任何对象都有一个monitor与之关联，当一个monitor被持有，处于锁定状态

用法

public class SyncDemo {

    Object A = new Object();

    public synchronized void method() {
        System.out.println( "锁是当前实例对象" );
    }

    public synchronized static void method1() {
        System.out.println( "锁是当前类Class" );
    }

    public void method2() {
        synchronized (A) {
            System.out.println( "锁是synchronized配置对象" );
        }
    }

    public static void main(String[] args){
        SyncDemo demo = new SyncDemo();
        demo.method();
        demo.method2();
        SyncDemo.method1();
    }

}

java对象头

1byte = 8bit
1word(字宽) = 4 byte = 32bit
java对象头

对象头

• 1 大小
  数组类型 3 word
  非数组类型 2 word （相差arraylength）

• 对象头包含 MarkWord ，Address ,length

Mark Word结构

Mark Word结构

运行期间，Mark Word存储数据会随着锁标志位变化而变化

锁标志位决定存储数据

锁的升级与对比

减少获得锁和释放锁带来性能消耗，引入“偏向锁”和“轻量级锁”
锁的级别：无锁状态 < 偏向锁状态 < 轻量级锁状态 < 重量级锁状态

锁可以升级，但不能降级

偏向锁

同一线程多次获得锁，采用代价更低偏向锁。
偏向锁thread ID 在Mark Word标记
1、第一次进入同步块，Mark Word记录偏向锁thread ID
2、下次进入test Thread ID 成功 获得锁，失败 升级为CAS

偏向锁撤销
等待竞争出现才释放锁的机制。所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，偏向锁的撤销，需要等待全局安全点。

tip:偏向锁是java 6 7默认启用，应用程序启动存在几秒延时。
关闭延时: -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false,默认进入轻量级锁状态

轻量级锁

Displaced Mark Word: 对象头Mark Word 复制到线程栈帧锁记录

加锁：尝试使用CAS将对象头Mark Word指向锁记录指针，成功获得锁，失败使用自旋锁

解锁：使用CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，成功，表示没有竞争发生，失败存在锁竞争，升级为重量级锁

锁的优缺点比较

锁的优缺点比较

原子操作实现原理

CAS(Compare And Swap)

• 1、总线锁定保证原子性

多处理器同时对共享变量进行读改写操作（非原子操作）,操作完之后共享变量值会和预期不一样 
eg:
    i++

处理器提供LOCK#信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器请求将被阻塞住，该处理器可以独占共享内存

总线锁是将CPU和内存之间通信锁定，锁定期间，其他CPU不能操作其他内存数据，总线锁开销比较大

• 2、缓存锁定保证原子性
  同一时刻，只需要对某个内存地址操作原子性即可

缓存一致性机制保证原子性
阻止两个以上处理器对缓存操作
其他处理器回写已锁定缓存，会使缓存行失效

lock前缀指令

修改指令：BTS、BTR、BTC
交换指令：XADD、CMPXCHG
逻辑指令：ADD、OR

• 3、其他两种情况不能采用缓存锁定
  1、操作数据不能被缓存处理器内部，或者操作数据跨多个缓存行(cache line)
  2、不支持缓存锁定

java如何实现原子操作

通过锁和循环CAS的方式实现原子操作

• 1、循环CAS
  jvm 中CAS操作利用CMPXCHG指令实现

    private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger( 0 );
    //循环CAS
    public void safeCount() {
        for (; ; ) {
            int i = atomicI.get();
            //cas  期望值  更新值
            boolean suc = atomicI.compareAndSet( i, ++i );
            if (suc)
                break;
        }
    }

CAS三大问题
1、ABA问题：解决问题，使用版本号，在变量前追加版本号
AtomicStampedReference
A->B->A => 1A->2B->3A
ABA解决方案

    private AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<Integer>( 0,0 );
    public void safeABACount() {
        for (;;){
            //当前值
            int ref = atomicStampedRef.getReference();
            //版本
            int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
            boolean suc = atomicStampedRef.compareAndSet( ref, ++ref, stamp, stamp + 1 );
            System.out.println( suc + " ref = " + ref + " stamp = " + stamp );
            if (suc)
                break;
        }
    }

此处存在疑惑
ABA解决方案问题：stamp 版本号上限128 超过之后报错
只能作为解决方案思路

2、循环时间开销大
3、只能保证一个共享变量原子操作

• 2、锁机制实现原子操作
  偏向锁、轻量级锁、互斥锁，除偏向锁外，实现原理均采用循环CAS

juc编程源码

https://github.com/yinlingchaoliu/juc