Java并发编程的艺术 -- Java并发机制的底层实现原理（第二章）

本文参考于《Java并发编程的艺术》

1、 Java代码转化为指令的过程

Java代码在编译后会变成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。

2、volatile关键字

2.1、volatile简介

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”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。如果volatile变量修饰符使用恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

2.2、volatile定义

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。Java语言提供了volatile，在某些情况下比锁要更加方便。如果一个字段被声明成volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

2.3、volatile底层实现原理

1. 实现可见性的原理

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会一行汇编代码，Lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情：

1. 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
2. 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。

2. 底层总的工作流程

如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是，就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题。所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，非当前处理器的其他处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，如果没有过期，就还是有效状态；当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。

2.4、volatile的使用优化

1. 如何优化性能？

将共享变量追加到64字节

2. 那么是不是在使用volatile变量时都应该追加到64字节呢？

不是的。在两种场景下不应该使用这种方式:

1. 缓存行非64字节宽的处理器。
2. 共享变量不会被频繁地写。

3、synchronized关键字

3.1、synchronized简介

在多线程并发编程中synchronized一直是元老级角色，很多人都会称呼它为重量级锁。

3.2、具体表现形式

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Synchonized括号里配置的对象。

3.3、访问同步代码块的过程

当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，如果获得锁失败就会陷入阻塞状态；如果获得锁成功就会继续执行代码块中的内容，退出或抛出异常时必须释放锁。

3.4、synchronized的底层实现原理

1. 补充概念

1. monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置。
2. monitorexit是插入到方法结束处和异常处。

2. 特别注意

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。JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。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的，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。

3. 底层实现原理

线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。然后就是执行相应的同步代码。执行到monitorexit指令时，该线程就会释放锁。

4、Java对象头

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的 HashCode、分代年龄和锁标记位。

1.32位JVM下的Mark Word的默认存储结构

2.64位JVM下的Mark Word的默认存储结构

5、锁的升级

5.1、总述

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Java SE 1.6中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态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。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

5.2、偏向锁

1. 为什么引入偏向锁？

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。

2. 偏向锁的获取过程

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。

3. 偏向锁的撤销过程

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，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，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的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。

4. 总过程图示说明

5. 关闭偏向锁的使用

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，那么 程序默认会进入轻量级锁状态。

5.3、轻量级锁

1. 轻量级锁加锁过程
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. 轻量级锁解锁过程

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

3. 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， 其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住， 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。

6、锁的优缺点对比

7、原子操作

7.1、什么是原子操作？

原子操作意为“不可被中断的一个或一系列操作”。

7.2、处理器怎样实现原子操作？

1. 前提条件

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。

2. 使用总线锁保证原子性

处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。所谓总线锁就是使用处理器提供的一个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，那么该处理器可以独占共享内存。

3. 为什么使用缓存锁保证原子性？

在同一时刻，我们只需保证对某个内存地址的操作是原子性即可，但总线锁定把CPU和内存之间的通信锁住了，这使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定的开销比较大，目前处理器在某些场合下使用缓存锁定代替总线锁定来进行优化。

4. 使用缓存锁保证原子性

所谓 “缓存锁定” 是指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，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。

5. 有两种情况下处理器不会使用缓存锁定

1. 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，则处理器会调用总线锁定。
2. 有些处理器不支持缓存锁定。

7.3、Java如何实现原子操作？

1. 实现方式

1. 使用循环CAS实现原子操作：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。
2. 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。有意思的是除了偏向锁，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的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。

2. CAS引发的问题

1. ABA问题：因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。
2. 循环时间长开销大：自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。
3. 只能保证一个共享变量的原子操作：当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。