java并发机制与底层实现原理

scola666 发布于2019-08-15 14:46 / 3174人阅读

摘要：并发机制与底层实现原理是轻量级的它在多处理器开发中保证了共享变量的可见性，因为它不会引起线程上下文的切换和调度，所以比的使用和执行成本更底。如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗。轻量级锁竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度。

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”，因为它不会引起线程上下文的切换和调度，所以比synchronize的使用和执行成本更底。
为了提高处理速度,处理器不直接和内存进行通信,而是先将系统内存的数据读到内部缓存(L1,L2或其他)后再进行操作,但操作完不知道何时会写到内存。使用volatile变量，在操作后，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

这个写回内存的操作会使在其他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，它首先必须得到锁，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。如果对象是数组类型，则JVM用三个字宽存储对象头，如果对象为非数组类型，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（如果当前对象是数组)

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

为了减少获得锁与释放锁所带来的性能消耗，引入“偏向锁”和“轻量级锁".所以在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

它会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，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的作者经过以往的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，以后该线程在进入和退出同步块时不需要花费CAS操作来加锁和解锁。

流程图中展示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:

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢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，官方称为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操作来将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。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。
借用网上流程图如下:

自旋锁

当竟争存在时，如果线程可以很快获得锁，那么可以不在OS层挂起线程（线程切换平均消耗8K个时钟周期），让线程多做几个空操作（自旋）

如果同步块过长，自旋失败，会降低系统性能

如果同步块很短，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。	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

偏向锁可用可先尝试偏向锁

轻量级锁可用可先尝试轻量级锁

1与2都失败，则尝试自旋锁

再失败，尝试普通锁，使用OS互斥量在操作系统层挂起

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