Java高并发编程（二）：Java并发机制的底层实现机制

Java代码在编译后会变成Java字节码，字节码在之后被类加载机制加载到JVM中，JVM执行字节码，最终需要转换为汇编指令在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。

1 深入理解 Volatile关键字

volatile是轻量级的synchronized，它在处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。可见性的意思就是当一个线程修改一个共享变量的时候，另一个线程就能读到这个修改的值。下面我们将深入到硬件层面上来分析一下Intel是如何实现volatile 可见性关键字的。

1.1 volatile的定义与实现原理

Java语言规范对volatile的定义如下：Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能够被准确和一致性地更新，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关键字，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成了volatile，Java线程内存模型确保所有的线程看到这个变量的值都是一致的。

下面是CPU术语的一些定义：

用volatile修饰的共享变量主要会做以下两件事情：

1. 将当前处理器缓存行的数据写回道系统内存中去。

2. 这个写回内存的操作会使其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

为了提高处理速度，处理器不直接和内存进通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存中（L1，L2或者其他）后再进行操作，但操作完后不知道何时会写到内存中去。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，将这个变量所在的缓存行写回到系统内存中去。但是就算写回到内存中，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，每个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，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改后，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实时，会从系统内存中把数据读到处理器缓存中去。

volatile关键字的两条实现原则：

1. Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存中去。

2. 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。

1.2 volatile的关键字的优化

由于CPU处理器从缓存中一次读取一个缓存行的数据，一个缓存行的数据一般是64字节。所以一般根据处理器缓存行的字节大小，将数据结构的元素添加到64字节的

2. Synchronized 的实现原理和应用

在多线程并发编程中，Synchronized关键字是元老级别的角色，很多人都称呼它为重量级锁。但是由于加锁是一个非常耗时的操作，并且对于锁的获取和释放也会带来极大的性能开销。那么Java SE 1.6中为了减少锁的释放和获取带来的性能开销而引入了偏向锁和轻量级锁机制，以及锁的存储结构和升级过程。下面我们来仔细探讨Synchronized关键字的具体实现原理。

简单的讲，Synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。具体可以表现为以下三种形式：

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Synchronized括号里面配置的对象。

JVM是基于进入和退出Monitor对象来实现同步方法和同步代码块。代码块同步是基于monitorenter和monitorexit指令来实现的，而方法同步是使用另外一种方式来实现的。monitorenter指令实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，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对象被持有后，它将处于锁定状态。线程执行monitorenter指令时，将会尝试获取对象对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

2.1 Java对象头

Synchronized关键字所用的锁是存在于Java对象头里面的。当Java对象头处于无锁状态的时候。Java对象头里面的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位置。32位的JVM的默认存储结构如下图所示：

在运行期间，MarkWord里面的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word变化存储为以下4种状态：

2.2 锁的升级和对比

在Java SE 1.6中，锁一共有4中状态，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。锁可以升级但是不能降级，意味着偏向锁升级成轻量级锁后，不能降级成偏向锁。

2.2.1. 偏向锁

HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是同一个线程多次获得，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获取锁的时候，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不块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁，只需要简单地测试一下对象头里的Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，就说明当前线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark World中偏向锁的标识是否为1(表示当前是否是偏向锁)：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。

2.2.2. 轻量级锁

（1）轻量级加锁

1. 线程在执行同步块之前，JVM会在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间。

2. 并将对象头中的Mark Word移动到锁记录中去，官方称为Displaced Mark Word。

3. 然后线程使用CAS将对象头中的Mark Word退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得锁。

（2）轻量级解锁

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word 替换回到对象头中，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，锁就会膨胀成为重量级锁。

2.2.3 重量级解锁

因为自旋会消耗CPU，为了避免没有必要的自旋（比如获得锁的线程被阻塞了），一旦锁升级成为了重量级锁之后，就不会再恢复到轻量级锁的状态。当锁处于重量级锁的状态下，其他线程试图获取锁时候，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁的之后，会唤醒这些线程。

3. 锁的优缺点对比

3. 原子操作的实现原理

原子（atomic）是“不能被进一步分割的最小粒子”。而原子操作（atomic operation）为“不可中断的一个或一系列操作”。

3.1 术语定义

3.2 处理器如何实现原子操作

处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内存操作的原子性。

（1）使用总线锁保证原子性
第一个机制是通过总线锁保证原子性。如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作（i++就是经典的读改写操作），那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的，操作完之后共享变量的值会和期望的不一致。

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。

（2）使用缓存锁住保证原子性
第二个机制是通过缓存锁定来保证原子性。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。

频繁使用的内存会缓存在处理器的L1、L2和L3高速缓存里，那么原子操作就可以直接在处理器内部缓存中进行，并不需要声明总线锁，在Pentium 6和目前的处理器中可以使用“缓存锁定”的方式来实现复杂的原子性。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。举例当CPU1修改缓存行中的i时使用了缓存锁定，那么CPU2就不能同时缓存i的缓存行。

但有两种情况下处理器不会使用缓存锁定。

第一种情况是：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（cache line）时，则处理器会调用总线锁定。
第二种情况是：有些处理器不支持缓存锁定。对于Intel
486和Pentium处理器，就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。

3.Java如何实现原子操作

在Java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。

乐观锁用到的机制就是CAS，Compare and Swap。

CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

（1）使用循环CAS实现原子操作
JVM中的CAS操作正式利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。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。

从Java 1.5开始，JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作，如AtomicBoolean（用原子方式更新的boolean值）、AtomicInteger（用原子方式更新的int值）和AtomicLong（用原子方式更新的long值）。这些原子包装类还提供了有用的工具方法，比如以原子的方式将当前值自增1和自减1。

（2）CAS实现原子操作的三大问题
在Java并发包中有一些并发框架也使用了自旋CAS的方式来实现原子操作，比如LinkedTransferQueue类的Xfer方法。CAS虽然很高效地解决了原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大，以及只能保证一个共享变量的原子操作。

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。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
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。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

（3）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。