第二章 并发机制的底层实现原理

Java代码在编译后 编程Java字节码，字节码被类加载器加载到JVM里，JVM执行字节码，最终需要转化为汇编指令在CPU上执行，Java中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和CPU的指令。

volatiled的应用

volatile是轻量级的synchronized,它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。可见性的意思是一个线程修改一个共享变量时，其他线程能读到这个修改的值。

volatile的定义与实现原理

Java语言规范第3版中对volatile的定义如下：Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。

在了解volatile实现原理之前，我们来看下与其实现原理相关的CPU术语与说明。

 

术语	英文单词	术语描述
内存屏障	memory barriers	是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制
缓冲行	cache line	CPU高速缓存中可以分配的最小存储单位。处理器填写缓存行时会加载整个缓存行，现代CPU需要执行几把次CPU指令
原子操作	atomic operations	不可中断的一个或一系列操作
缓存行填充	cache line fill	当处理器识别到从内存中读取操作数是可缓存的，处理器读取整个高速缓存行到适当的缓存（L1,L2,L3的或所有）
缓存命中	cache hit	如果进行高速缓存行填充操作的内存位置仍然是下次处理器访问的地址时，处理器从缓存行中读取操作数，而不是从内存读取
写命中	write hit	当处理器将错作数写回到一个内存缓存的区域时，它首先会检查这个缓存的内存地址是否在缓存行中，如果存在一个有效的缓存行，则处理器将这个操作数写回到缓存，而不是写回到内存
写缺失	write misses the cache	一个有效的缓存行被写入到不存在的内存区域

 

volatile是如何保证可见性的？

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候，会通过Lock指令来保证可见性，而Lock指令在多核处理器会引发两件事

• Lock前缀指令会引起处理器缓存行的数据回写到系统内存
• 这个回写内存的操作会使在其他处理器的缓存无效

Lock前缀指令会引起处理器缓存行的数据回写到系统内存：Lock前缀指令导致在执行指令期间，声言处理器的LOCK#信号。在多处理环境中，LOCK#信号确保在声言该信号期间，处理器可以独占任何共享内存（因为它会锁住总线，导致其他CPU不能访问总线，不能访问总线就意味着不能访问系统内存）。但是，在最近的处理器里，LOCK#信号一般不锁总线，而是锁缓存，毕竟总线开销的比较大。

这个回写内存的操作会使在其他处理器的缓存无效：IA-32处理器和Intel64处理器使用MESI（修改、独占、共享、无效）控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。在多核处理器系统中进行操作的时候，IA-32处理器和Intel64处理器能嗅探其他处理器访问系统内存和它们的内部缓存，处理器使用嗅探技术保证他的内存缓存、系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。

volatile的使用优化

著名的Java并发编程大师Doug lea 在JDK7的并发包新增一个队列集合类Linked-TransferQueue,它在使用volatile变量时，用一种追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能。有兴趣的小伙伴可以自行去检查。这里不多赘述，但是存在两种场景不应该使用这种方式

• 缓存行非64字节宽的处理器
• 共享变量不会被频繁地写

 

 

Synchronized的实现原理与应用

Synchronized很多人称呼它为重量级锁。随着Java SE1.6对Synchronized进行各种优化之后，已经得到很大改善。

Synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁，具体表现以下3种形式：

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

锁到底存在哪里，锁里又会存储什么信息？

从JVM规范中可以看到Synchronized在JVM里的实现原理，JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，而方法同步是使用另外一种方式实现，细节在JVM规范里并没有详细说明。但是，方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。

monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态，线程执行到monitorexit指令时，将会尝试获取对象锁对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

Java对象头

Synchronized用的锁是存在Java对象头里的，如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2个字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit。

锁的升级与对比

Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，在1.6中，锁一共有4中状态，级别从底到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。它们之间随着竞争逐渐升级但不能降级，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

偏向锁

 HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。当一个线程访问同步块并获取琐时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需简单地测试一下对象头的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

（1）偏向锁的撤销

偏向锁使用了一种等到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（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，不处于活动状态，则将对象头设置成无所状态；反之，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。下图演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程

（2）关闭偏向锁

偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可是使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay = 0

如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking = false

轻量级锁

（1）轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会现在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋锁来获取琐。

（2）轻量级锁解锁

轻量级锁解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发送。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。下图是两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取琐时，都会被组塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

锁的优缺点对比

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差距	如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于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 同步块实行速度较长

 

 

 原子操作的实现原理

 原子（atomic）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为“不可被中断的一个或一系列操作”。

 术语定义

 

 处理器如何实现原子操作

32位IA-32处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。

首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。处理器保证从系统内存中读取或者写入一个字节是原子的，意思是当一个处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字节的内存地址。Pentium6和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64位的操作时原子的，但是复杂的内存操作处理器是不能自动保证其原子性的，比如跨总线宽度、跨多个缓存行和跨页表的访问。但是，处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内存操作的原子性。

（1）使用总线锁保证原子性

提供一个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，那么处理器可以独占共享内存。

 （2）使用缓存锁保证原子性

内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在Lock操作期间被锁定，那么当它执行锁操作回写到内存时，处理器不在总线上声言LOCK#信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性。

但是有两种情况下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（cash line）时，则处理器会调用总线锁定
• 有些处理器不支持缓存锁定

 

Java如何实现原子操作

 java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作

（1）使用锁机制实现原子操作

锁机制保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域。JVM内部实现了很多种锁机制，有偏向锁、轻量级锁和互斥锁。除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。

（2）使用CAS实现原子操作

JVM中的CAS操作正是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止，以下代码实现了一个基于CAS线程安全的计数器方法safeCount和一个非线程安全的计数器count

public class Counter {
    
    private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    private int i = 0;
    
    public static void main(String[] args) {
        final Counter cas = new Counter();
        List<Thread> ts = new ArrayList<>(600);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int j = 0; j < 100; j++) {
            Thread t = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        cas.count();
                        cas.safeCount();
                    }
                }
            });
            ts.add(t);
        }
        for (Thread t : ts){
            t.start();
        }
        //等待所有线程执行完成
        for (Thread t : ts){
            try{
                t.join();
            } catch (InterruptedException e){
                e.printStackTrace();
            }  
        }
        System.out.println(cas.i);
        System.out.println(cas.atomicInteger);
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
    }
    
    //使用CAS实现线程安全计数器
    private void safeCount(){
        for (;;){
            int i = atomicInteger.get();
            boolean suc = atomicInteger.compareAndSet(i, ++i);
            if (suc){
                break;
            }
        }
    }
    
    //非线程安全技术器
    private void count(){
        i++;
    }
}

输出：

987249
1000000
105

（3）CAS实现原子操作的三大问题

1. ABA问题：可以通过添加版本号，或者Java1.5开始JDKA的tomic包里提供了一个类AtomicStampedReference,这个类的compareAndSet方法就是检查当前引用和标志是否等于预期引用和标志
2. 循环时间长开销大：JVM如果支持pause指令，效率有一定提升
3. 只能保证一个共享变量的原子操作：用锁或者多个共享变量合并成一个，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作