java 锁

1、 Java并发编程的三个概念

　　原子性：一个或多个操做要么所有执行成功要么所有执行失败；

　  可见性：当多个线程访问同一个变量时，若是其中一个线程对其做了修改，其余线程能当即获取到最新的值；

　  有序性：程序执行的顺序按照代码的前后顺序执行（处理器可能会对指令进行重排序）；

 

2、单核CPU到多核CPU的变化 

　　CPU愈来愈快，主存逐渐跟不上cpu的频率，cpu须要等待主存浪费资源。因此cache的出现主要为了解决cpu和内存之间频率不匹配的问题。

但cache也带来了新的问题，并发处理的不一样步（不过能够经过总线锁和缓存一致性来解决）。

　　

3、重排序

　　在执行程序时，为了提升性能，编译器和处理器经常会对指令作重排序。

　　重排序分类

　　　　

　　　　一、编译器优化的重排序：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，能够从新安排语句的执行顺序。

　　　　二、指令级并行的重排序：现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。

　　　　　　若是不存在数据依赖性，处理器能够改变语句对应机器指令的执行顺序。

　　　　三、内存系统的重排序：因为处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操做看上去多是在乱序执行。以下图：

　　　　

　　重排序的原则：as-if-serial语义

　　　　as-if-serial语义的意思是：无论怎么重排序（编译器和处理器为了提升并行度），单线程程序的执行结果不能被改变。

　　　　编译器、runtime和处理器都必须遵照as-if-serial语义。

　　　　为了遵照as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操做作重排序。数据依赖关系以下图所示：

　　　　

 　　　　as-if-serial语义只能保证单线程下，重排序引发的问题。在多线程状况下，不存在数据依赖关系的重排序也会破坏程序的意图。

　　　　

　　　　单线程状况下，控制依赖关系的重排序，不影响最终结果。多线程状况下，则可能会破坏程序的意图。

 

　　　　

 

　　JMM禁止重排序的措施：

　　　　一、对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是全部的编译器重排序都要禁止）。

　　　　二、对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（Memory Barriers，Intel称之为MemoryFence）指令，

　　　　　  经过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

　　JMM的内存屏障插入策略：Load：加载（读）、Store：保存（写），屏障名称就能够看出读写的前后顺序） 

　　　　一、在每一个volatile写操做前插入StroreStore屏障 
　　　　二、在每一个volatile写操做前插入StroreLoad屏障 
　　　　三、在每一个volatile读操做前插入LoadLoad屏障 
　　　　四、在每一个volatile读操做前插入LoadStore屏障

 

4、Volatile 

　　　　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”。volatile不会引发上下文的切换和调度（禁止指令重排），执行开销更小。　　

　　Volatile 的特性：

　　　　可见性：对一个volatile变量的读，老是能看到(任意线程）对这个volatile变量最后的写入。

　　　　原子性：对任意单个volatile变量的读/写具备原子性，但相似于volatile++这种复合操做不具备原子性。

　　Volatile 的原理：

　　　　1. 使用volitate修饰的变量在汇编阶段，会多出一条lock前缀指令（ACC_VOLATILE）

　　　　2. 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障以前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；

　　　　　 即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操做已经所有完成

　　　　3. 它会强制将对缓存的修改操做当即写入主存

　　　　4. 若是是写操做，它会致使其余CPU里缓存了该内存地址的数据无效

　　volatile写-读创建的happens-before关系:

　　　　volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果。

　　　　这里A线程写一个volatile变量后，B线程读同一个volatile变量。

　　　　A线程在写volatile变量以前全部可见的共享变量，在B线程读同一个volatile变量后，将当即变得对B线程可见。

　　

　　Volatile 写-读的内存语义：

　　　　当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。

　　　　当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

　　　　注：关于volatile变量重排序，严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序，确保volatile的写-读和锁的释放-获取具备相同的内存语义。

　　　　 

　　　　

　　　　JMM重排序分为编译器重排序和处理器重排序，JMM会限制这两种类型的重排序类型来保证volatile的内存语义

　　　　一、第二个操做是volatile写时，第一个操做不论是什么，都不能重排序 
　　　　二、第一个操做是volatile读时，第二个操做不论是什么，都不能重排序 
　　　　三、第一个操做是volatile是写，第二个操做是volatile是读，不能重排序

　　volatile和synchronized的区别：　

　　　　volatile本质是在告诉jvm当前变量在寄存器（工做内存）中的值是不肯定的，须要从主存中读取；

　　　　synchronized则是锁定当前变量，只有当前线程能够访问该变量，其余线程被阻塞住。

　　　　volatile仅能使用在变量级别；synchronized则可使用在变量、方法、和类级别的

　　　　volatile仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性；而synchronized则能够保证变量的修改可见性和原子性

　　　　volatile不会形成线程的阻塞；synchronized可能会形成线程的阻塞。

　　　　volatile标记的变量不会被编译器优化；synchronized标记的变量能够被编译器优化

 

5、Synchronized 锁

　　　　synchronized 是JVM实现的一种锁，其中锁的获取和释放分别是monitorenter 和 monitorexit 指令，该锁在实现上分为了偏向锁、轻量级锁和重量级锁，

　　其中偏向锁在 java1.6 是默认开启的，轻量级锁在多线程竞争的状况下会膨胀成重量级锁，有关锁的数据都保存在对象头中。

　　　　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Class对象；

　　　　对于同步方法块，锁是Synchronized括号里配置的对象；

　　synchronized 的原理

　　　　加了 synchronized 关键字的代码段，生成的字节码文件会多出 monitorenter 和 monitorexit 两条指令（利用javap -v *.class字节码文件）

　　　　加了 synchronized 关键字的方法，生成的字节码文件中会多一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志位，当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，

　　　    若是设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功以后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其余任何线程都没法再得到同一个monitor对象。

　　　　其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需经过字节码来完成。

　　synchronized 的缺点

　　　　一、会让没有获得锁的资源进入Block状态，争夺到资源以后又转为Running状态，这个过程涉及到操做系统用户模式和内核模式的切换，代价比较高。

　　　　二、Java1.6为 synchronized 作了优化，增长了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过分，可是在最终转变为重量级锁以后，性能仍然较低。

　　锁的获取和释放 创建的happens-before关系

　　　　

 

　　锁的释放和获取的内存语义

 　　　　JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量。

　　　　锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。

　　　　线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程A对共享变量所作修改的）消息。

　　　　线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了以前某个线程发出的（在释放这个锁以前对共享变量所作修改的）消息。

　　　　线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A经过主内存向线程B发送消息。