Java并发机制的底层实现原理

volatile的应用

• valatile实现原则
  • Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存
  • 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效
• volatile的使用优化
  • 追加字节64字节的方式来优化性能（Java 7下可能不生效，采用了其他追加字节的方式）

synchronized的实现原理与应用

相信绝大数人在脑海里对synchronized的第一印象就是重量级锁，性能消耗特别高，不到万不得一最好不要使用synchronized，当然了，在1.6版本之前确实是这样的，但是在1.6版本对synchronized进行了优化，其中最主要的就是引入了偏向锁、轻量级锁。后续会有所提及。

• 对于普通同步方法，锁是当前实例对象
• 对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象
• 对于同步方法块，锁是synchronized括号里配置的对象

记住synchronized是通过JVM实现的，如果修饰的同步块，与之对应的命令monitorenter和monitorexit。如果是同步方法，则是依靠方法修饰符上的ACC_SYNCHRONIZED

• Java对象头

Java对象头的存储结构(32位JVM)

锁状态	25bit	4bit	1bit(偏向锁)	2bit(锁标志位)
无锁状态	对象的hashCode	对象分代年龄	0	01

Java对象头的存储结构(64位JVM)
不支持HTML标签，只能截图了

image.png

• 锁级别(由低到高)

无锁状态->偏向锁状态->轻量级锁状态->重量级锁状态(只能升级不能降级)

偏向锁

初次获取锁的时候，将自身的ThreadID写入到mark word的ThreadId字段内，并且将偏向锁的状态置为1。如果再有线程来获取锁的时候，直接比较ThreadID是否一致。

轻量级锁

两个线程竞争，其中只会有一个竞争成功，另外一个进行自旋CAS。

锁的优缺点对比及适用场景

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	使用只有一个线程访问同步块场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU	追求响应时间，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不适用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间缓慢	追求吞吐量，同步块执行速度较长

原子操作的实现原理

• 如何实现原子性

  • 使用总线锁保证原子性（使用处理器提供的Lock #信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住，所以开销比较大）
  • 使用缓存锁保证原子性（修改内部的内存地址，通过缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时，会使缓存行无效）
    • 有两种特殊情况处理器不会使用缓存锁定
      • 当操作的数据不能被缓存在处理器内部或操作的数据跨多个缓存行时，则会调用总线锁定
      • 有些处理器不支持缓存锁定。（Intel 486和Pentium处理器）

• Java如何实现原子操作

  • 实现方式
    • 锁
    • 自旋CAS
  • 锁机制实现原子操作
    JVM内部多种锁机制：偏向锁、轻量级锁、互斥锁。除了偏向锁，其它都用到了CAS
  • CAS实现原理及存在的问题
    • JVM中的CAS操作是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的
    • CAS实现原子操作的三大问题
      1. ABA问题（1.5版本提供的AtomicStampedReference来解决的）
      2. 循环时间长，开销大（如果处理器支持pause命令，效率有所提升。第一，延迟流水线执行命令，使CPU不会消耗过多的执行资源。第二，避免循环推出的时候因内存顺序冲突而引起CPU流水线被清空，从而提高CPU的执行效率）
      3. 只能保证一个共享变量的原子操作（1.5版本提供的AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作）