java并发机制与底层实现原理

java并发机制与底层实现原理

volatile

volatile是轻量级的synchronize,它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”，由于它不会引发线程上下文的切换和调度，因此比synchronize的使用和执行成本更底。
为了提升处理速度,处理器不直接和内存进行通讯,而是先将系统内存的数据读到内部缓存(L1,L2或其余)后再进行操做,但操做完不知道什么时候会写到内存。使用volatile变量，在操做后，JVM会发出lock指令

• 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存
• 这个写回内存的操做会使在其余cpu里缓存了该内存地址的数据无效

synchronize

同步基础

synchronize实现同步的基础，具体表现为三种形式

• 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Synchronize括号里配置的对象

当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须获得锁，退出或抛出异常时必须释放锁。那么锁到底存在那里，锁里会存储什么信息。

java对象头

synchonize用的锁是存在java对象头里的。若是对象是数组类型，则JVM用三个字宽存储对象头，若是对象为非数组类型，则用二个字宽存储对象头。32位中，一字宽等于四字节(32bit)

长度	内容	说明
32/64bit	Mark Word	存储对象的hashCode或锁信息等。
32/64bit	Class Metadata Address	存储到对象类型数据的指针
32/64bit	Array length	数组的长度（若是当前对象是数组)

在运行期间Mark Word里存存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。会成为下面的一种

锁类型

为了减小得到锁与释放锁所带来的性能消耗，引入“偏向锁”和“轻量级锁'.因此在java中存在四种状态

• 无锁状态
• 偏向锁状态
• 轻量级锁状态
• 自旋锁
• 重量级锁状态

它会随着竞争状况逐渐升级。锁能够升级但不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后不能降级成偏向锁

偏向锁

Hotspot的做者通过以往的研究发现大多数状况下锁不只不存在多线程竞争，并且老是由同一线程屡次得到，为了让线程得到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锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，之后该线程在进入和退出同步块时不须要花费CAS操做来加锁和解锁。

流程图中展现偏向锁的获取释放以及升级至轻量锁

轻量级锁

1.轻量级锁加锁:

线程在执行同步块以前，JVM会先在当前线程的栈桢中建立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，官方称为Displaced Mark Word。而后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。若是成功，当前线程得到锁，若是失败，表示其余线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

2.轻量级锁解锁

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操做来将Displaced Mark Word替换回到对象头，若是成功，则表示没有竞争发生。若是失败，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，致使锁膨胀的流程图。
借用网上流程图以下:

自旋锁

当竟争存在时，若是线程能够很快得到锁，那么能够不在OS层挂起线程（线程切换平均消耗8K个时钟周期），让线程多作几个空操做（自旋）

1. 若是同步块过长，自旋失败，会下降系统性能
2. 若是同步块很短，自旋成功，节省线程挂起切换时间，担升系统性能

锁对比

锁	优势	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不须要额外的消耗，和执行非同步方法比仅存在纳秒级的差距。	若是线程间存在锁竞争，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。</td
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提升了程序的响应速度。	若是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。同步块执行速度很是快。
重量级锁	线程竞争不使用自旋，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。

总结

• 偏向锁，轻量级锁，自旋锁不是JAVA语言层上的优化方法

• 内置于JVM中的获取锁的优化方法与获取锁的步骤

  1. 偏向锁可用可先尝试偏向锁
  2. 轻量级锁可用可先尝试轻量级锁
  3. 1与2都失败，则尝试自旋锁
  4. 再失败，尝试普通锁，使用OS互斥量在操做系统层挂起