《Java并发编程的艺术》：第2章 Java并发机制的底层实现原理

前言

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。

第二章：Java并发机制的底层实现原理

2.1　volatile的应用

volatile是轻量级synchronized,能保证共享变量的“可见性”。比synchronized使用和执行成本低，不会引起线程上下文的切换和调度。

下面先来看与其原理相关的CPU术语与说明。

汇编代码中,lock前缀的指令引发了两件事情：

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使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

如果对声明了volatile的变量写操作，JVM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。为了保证其他处理器的缓存也是新的，实现缓存一致性协议。。每个处理器嗅探在总线上的数据检查自己缓存是否过期。当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前缓存行设置成无效状态，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。

追加字节能优化性能？

如果队列的头节点和尾节点都不足64字节的话，处理器会将
它们都读到同一个高速缓存行中，在多处理器下每个处理器都会缓存同样的头、尾节点，当一
个处理器试图修改头节点时，会将整个缓存行锁定，那么在缓存一致性机制的作用下，会导致
其他处理器不能访问自己高速缓存中的尾节点，而队列的入队和出队操作则需要不停修改头
节点和尾节点，所以在多处理器的情况下将会严重影响到队列的入队和出队效率。

两种场景下不该使用这种方式：
缓存行非64字节的处理器。
共享变量不会被频繁地写。

2.2 synchronized的实现原理与应用

Java的每一个对象都可以作为锁。
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synchronized括号里配置的对象。
方法同步和代码块同步，两种的实现细节不一样。代码块使用monitorenter和monitorexit指令实现的。
monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结
束处和异常处。

2.2.1 Java对象头
synchronized用的锁是存在Java对象头里的。非数组类型，2Byte存对象头，数组类型3Byte。
HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为三块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。 对象头默认存储对象的HashCode（25bit），分代年龄（4bit）和锁标记位。

2.2.2 锁的升级与对比
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”。1.6中，一共有4种状态，由低到高是无锁，偏向锁，轻量锁，重量锁。锁只能升级。
1.BiaseLocking
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。

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。

关闭偏向锁，程序默认进轻量级锁状态。

2.轻量级锁
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。

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，如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

3.锁的优缺点：

2.3 原子操作的实现原理
不可中断的一个或一系列操作。
首先处理器会自动保存“基本“的内存操作的原子性。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。
但复杂的内存操作是不能自动保证其原子性的，比如跨总线宽度，跨多个缓存行和跨页表的访问。但是，处理器提供“总线锁定“和“缓存锁定“来保证复杂内存操作的原子性。

总线锁就是使用处理器提供的一个LOCK#信号，当一个CPU在总线输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住，那么该CPU可以独占该内存。
缓存锁定是指内存区域如果被缓存在CPU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，CPU不在总线上声明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能阻止同时修改两个以上CPU缓存的内存区域数据。

有两种情况CPU不会使用缓存锁定：
1 .操作的数据不能被缓存在CPU内部。或操作的数据跨多个缓存行
2.有些处理器不支持缓存锁定

Java中如何实现原子操作

使用循环CAS实现
CAS实现原子性操作的三大问题

ABA问题：JDK1.5里，AtomicStampedReference可以解决。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否为预期引用，并检查当前标志是否为预期标志，若全部相等，以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

循环时间长开销大：JVM支持处理器提供的pause指令。

只能保证一个共享变量的原子操作：对多个共享变量，循环CAS无法保证操作的原子性。一个取巧的办法，把多个共享变量合并成一个对象：i=2，j=a,合并为ij=2a。由AtomicReference支持

3.使用锁机制实现原子操作
除了偏向锁，JVM实现锁都用了循环CAS，当一个线程想进入同步块时，循环CAS获取锁，退出同步块时，循环CAS释放锁。