Java併發機制的底層實現原理

Java併發編程的藝術筆記

• 併發編程的挑戰
• Java併發機制的底層實現原理
• Java內存模型
• Java併發編程基礎
• Java中的鎖的使用和實現介紹
• Java併發容器和框架
• Java中的12個原子操作類介紹
• Java中的併發工具類
• Java中的線程池 Executor框架

Java代碼 編譯之後 得到 Java字節碼，被 類加載器加載到JVM中，最終 轉化爲彙編指令。

volatile

volatile是輕量級的synchronized，被volatile修飾的變量，在一個線程能讀到這個變量被另一個線程修改之後的值。
volatile不會引起線程上下文切換和調度。

volatile的兩條實現原則

• Lock前綴指令會引起處理器緩存回寫到內存.
• 一個處理器的緩存回寫到內存會導致其他處理器的緩存無效.

synchronized實現同步

• 對於 普通同步方法，鎖是 當前實例對象。
• 對於 靜態同步方法，鎖是 當前類的Class對象。
• 對於 同步方法塊，鎖是 Synchonized括號裏配置的對象。

Synchonized在JVM裏的實現原理

JVM 基於進入和退出Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步。

• 代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實現的
• 方法同步是使用另外一種方式實現的，細節在JVM規範裏並沒有詳細說明。但是，方法的同步同樣可以使用monitorenter和monitorexit指令來實現。

monitorenter指令是在編譯後插入到同步代碼塊的開始位置，monitorexit是插入到方法結束處和異常處。
JVM要保證每個monitorenter必須有對應的monitorexit與之配對。
任何對象都有一個monitor與之關聯，當且一個monitor被持有後，它將處於鎖定狀態。線程執行到monitorenter指令時，將會嘗試獲取對象所對應的monitor的所有權，即嘗試獲得對象的鎖。

Java對象頭

synchronized用的鎖是存在Java對象頭裏的。在32位 虛擬機中，1字寬 等於4字節，即32bit。

• 數組類型,虛擬機用3個字寬存儲對象頭。
• 非數組類型，虛擬機用2個字寬存儲對象頭。

鎖的4種狀態

級別從低到高依次是:

• 無鎖狀態
• 偏向鎖狀態
• 輕量級鎖狀態
• 重量級鎖狀態

Java中的鎖介紹

原子操作的實現原理

原子（atomic）本意是“不能被進一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意爲“不可被中斷的一個或一系列操作”。

• 處理器如何實現原子操作

  • 使用總線鎖保證原子性：所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個LOCK＃信號，當一個處理器在總線上輸出此信號時，其他處理器的請求將被阻塞住，那麼該處理器可以獨佔共享內存。

• 使用緩存鎖保證原子性。
  以下兩種情況不會使用緩存鎖：

  • 當處理器不支持緩存鎖定。
  • 當操作的數據不能被緩存在處理器內部，或操作的數據跨多個緩存行時，則處理器會調用總線鎖定。

• Java如何實現原子操作

  • 使用循環CAS實現原子操作， Java中的12個原子操作類介紹。

• CAS實現原子操作的三大問題：

  • ABA問題：因爲CAS需要在操作值的時候，檢查值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，但是實際上卻變化了。
    ABA問題的解決思路就是 使用版本號。在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加1，那麼A→B→A就會變成1A→2B→3A。
    原子操作類AtomicStampedReference的compareAndSet方法的作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用，並且檢查當前標誌是否等於預期標誌，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標誌的值設置爲給定的更新值。
  • 循環時間長開銷大：自旋CAS如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。
  • 只能保證一個共享變量的原子操作：當對一個共享變量執行操作時，我們可以使用循環CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變量操作時，循環CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖。還有一個取巧的辦法，就是把多個共享變量合併成一個共享變量來操作。

• 使用鎖機制實現原子操作

  • 鎖機制保證了只有獲得鎖的線程才能夠操作鎖定的內存區域。

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