并发机制初识

java代码编译成java字节码后，会被加载到JVM中执行，并转换成汇编指令在CPU上执行。因此java所有并发机制依赖于JVM的实现和CPU指令。

本章节主要介绍：

• volatile底层处理器实现原理
• synchronized的几种锁

1.volatile

可见性

共享变量的可见性指的是，当一个线程修改一个共享变量后，其它的线程能够读取到这个修改的值。

volatile修饰的变量如何保证可见性？

为了提高处理效率，CPU不会直接和内存进行通信，而是通过CPU—缓存—内存的方式进行。对于多核处理器而言，每个处理器都有自己专门的缓存区，所有缓存区共享一个系统内存。

在对volatile修饰的变量执行写操作时，生成的汇编代码会多一个Lock指令，这个Lock指令只要做了两件事：

1. 当前处理器缓存行的数据会写回到系统内存中
2. 其它CPU缓存的该地址的数据失效

其它CPU会使用嗅探技术，保证CPU内部缓存、其它CPU内部缓存、系统内存的数据在总线上保持一致。

volatile使用优化

缓存行填充

多个变量占据的字节小于缓冲行的大小，那么CPU会将多个变量读到同一个高速缓存行。

而如果个别处理器支持“缓存行填充”，那么不满足缓存行大小的变量会自动扩充，单独填满占据一个缓存行。

不支持“缓存行填充”的CPU，在读写某个变量时，可能会导致同一个缓存行内的其它变量同时被锁住，如上图CPU1在对head节点操作时，会导致其它多处理器都不能访问缓存行1其它变量。

字节追加：通过扩充volatile变量的字节大小，保证每个节点变量只占据一个缓存行存储。解决了多个共享变量在频繁写的过程中产生的锁定问题。

2.synchronized

synchronized用于实现代码同步：每个线程在访问同步代码块时，首先需要获取锁，执行完退出或者抛出异常时需要释放锁。

synchronized用的锁保存在java对象头中，java对象头包括以下几个部分：

• Mark Word：存储对象的锁信息、hashcode。具体会根据锁标志位进行变化，不同的锁对应不同的Mark Word信息。
• Class Metadata：存储对象元信息、数据、地址
• (数组对象)

Java SE 1.6中，锁等级从低到高一共可以分为4种状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁、重量级锁。锁可以升级，但不能降级。

2.1偏向锁

为了使同一个线程多次访问同步块获取锁时，获取锁的代价更小，引入了偏向锁。

线程第一次获取锁时，在对象头中存储偏向锁的线程ID，以后该线程再次访问时，无需进行CAS操作加锁解锁(修改Mark Word)。

偏向锁撤销：当其它线程想要访问同步块，尝试通过CAS竞争获取偏向锁时，当前持有偏向锁的线程才会释放锁，将偏向锁偏向于其它线程，或是变为无锁状态。

2.2轻量级锁

轻量级加锁：线程首先将对象头的Mark Word复制到自己的栈帧中，然后通过CAS操作尝试将对象头的Mark Word修改为指向该锁记录栈帧的指针。如果成功，则当前线程获得轻量级锁，否则会不断自旋尝试竞争获取锁。

轻量级解锁：通过CAS操作将栈帧的锁记录 Displaced Mark Word替换为对象头。如果失败则表示当前存在多个线程同时竞争获取锁和释放锁，膨胀为重量级锁。

自旋操作会消耗CPU，如果当前锁处于重量级锁，那么试图获取锁的所有线程都会被阻塞住。直到获取锁的线程释放锁后，才会唤醒所有被阻塞的线程，进行新一轮的竞争。

2.3对比

• 偏向锁：适用于只有单个线程访问同步块的情况。

• 轻量级锁：用于不同线程访问同步块的情况。每个线程都会自旋获取锁，性能高，响应时间短。

• 重量级锁：用于解决锁竞争消耗CPU的情况。锁竞争不消耗CPU，吞吐量高。但涉及线程阻塞和唤醒，进行上下文切换，响应时间长。

3.CAS原子操作

CAS无锁算法

如果“当前地址的值”与“先前读到的该地址的值”是一致，那么可以判定人为该变量没有被修改过，可以赋予新的值。否则不做任何修改。

循环CAS用于保证对共享变量操作时，是原子操作。

ABA问题：解决方式通过加版本号，判断当前第二个变量A是否已经被修改过。