java 锁

Posted 2021-02-08 愚蠢的猴子

一、 Java并发编程的三个概念

　　原子性：一个或多个操作要么全部执行成功要么全部执行失败；

　  可见性：当多个线程访问同一个变量时，如果其中一个线程对其作了修改，其他线程能立即获取到最新的值；

　  有序性：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行（处理器可能会对指令进行重排序）；

 

二、单核CPU到多核CPU的变化 

　　CPU越来越快，主存逐渐跟不上cpu的频率，cpu需要等待主存浪费资源。所以cache的出现主要为了解决cpu和内存之间频率不匹配的问题。

但cache也带来了新的问题，并发处理的不同步（不过可以通过总线锁和缓存一致性来解决）。

　　

三、重排序

　　在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排序。

　　重排序分类

　　　　

　　　　1、编译器优化的重排序：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序。

　　　　2、指令级并行的重排序：现代处理器采用了指令级并行技术（Instruction-Level Parallelism，ILP）来将多条指令重叠执行。

　　　　　　如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

　　　　3、内存系统的重排序：由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。如下图：

　　　　

　　重排序的原则：as-if-serial语义

　　　　as-if-serial语义的意思是：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），单线程程序的执行结果不能被改变。

　　　　编译器、runtime和处理器都必须遵守as-if-serial语义。

　　　　为了遵守as-if-serial语义，编译器和处理器不会对存在数据依赖关系的操作做重排序。数据依赖关系如下图所示：

　　　　

 　　　　as-if-serial语义只能保证单线程下，重排序引起的问题。在多线程情况下，不存在数据依赖关系的重排序也会破坏程序的意图。

　　　　

　　　　单线程情况下，控制依赖关系的重排序，不影响最终结果。多线程情况下，则可能会破坏程序的意图。

 

　　　　

 

　　JMM禁止重排序的措施：

　　　　1、对于编译器，JMM的编译器重排序规则会禁止特定类型的编译器重排序（不是所有的编译器重排序都要禁止）。

　　　　2、对于处理器重排序，JMM的处理器重排序规则会要求Java编译器在生成指令序列时，插入特定类型的内存屏障（Memory Barriers，Intel称之为MemoryFence）指令，

　　　　　  通过内存屏障指令来禁止特定类型的处理器重排序。

　　JMM的内存屏障插入策略：Load：加载（读）、Store：保存（写），屏障名称就可以看出读写的先后顺序） 

　　　　1、在每个volatile写操作前插入StroreStore屏障 
　　　　2、在每个volatile写操作前插入StroreLoad屏障 
　　　　3、在每个volatile读操作前插入LoadLoad屏障 
　　　　4、在每个volatile读操作前插入LoadStore屏障

 

四、Volatile 

　　　　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”。volatile不会引起上下文的切换和调度（禁止指令重排），执行开销更小。　　

　　Volatile 的特性：

　　　　可见性：对一个volatile变量的读，总是能看到(任意线程）对这个volatile变量最后的写入。

　　　　原子性：对任意单个volatile变量的读/写具有原子性，但类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

　　Volatile 的原理：

　　　　1. 使用volitate修饰的变量在汇编阶段，会多出一条lock前缀指令（ACC_VOLATILE）

　　　　2. 它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；

　　　　　 即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成

　　　　3. 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存

　　　　4. 如果是写操作，它会导致其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

　　volatile写-读建立的happens-before关系:

　　　　volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果。

　　　　这里A线程写一个volatile变量后，B线程读同一个volatile变量。

　　　　A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量，在B线程读同一个volatile变量后，将立即变得对B线程可见。

　　

　　Volatile 写-读的内存语义：

　　　　当写一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。

　　　　当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。

　　　　注：关于volatile变量重排序，严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序，确保volatile的写-读和锁的释放-获取具有相同的内存语义。

　　　　 

　　　　

　　　　JMM重排序分为编译器重排序和处理器重排序，JMM会限制这两种类型的重排序类型来保证volatile的内存语义

　　　　1、第二个操作是volatile写时，第一个操作不管是什么，都不能重排序 
　　　　2、第一个操作是volatile读时，第二个操作不管是什么，都不能重排序 
　　　　3、第一个操作是volatile是写，第二个操作是volatile是读，不能重排序

　　volatile和synchronized的区别：　

　　　　volatile本质是在告诉jvm当前变量在寄存器（工作内存）中的值是不确定的，需要从主存中读取；

　　　　synchronized则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住。

　　　　volatile仅能使用在变量级别；synchronized则可以使用在变量、方法、和类级别的

　　　　volatile仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性；而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性

　　　　volatile不会造成线程的阻塞；synchronized可能会造成线程的阻塞。

　　　　volatile标记的变量不会被编译器优化；synchronized标记的变量可以被编译器优化

 

五、Synchronized 锁

　　　　synchronized 是JVM实现的一种锁，其中锁的获取和释放分别是monitorenter 和 monitorexit 指令，该锁在实现上分为了偏向锁、轻量级锁和重量级锁，

　　其中偏向锁在 java1.6 是默认开启的，轻量级锁在多线程竞争的情况下会膨胀成重量级锁，有关锁的数据都保存在对象头中。

　　　　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Class对象；

　　　　对于同步方法块，锁是Synchronized括号里配置的对象；

　　synchronized 的原理

　　　　加了 synchronized 关键字的代码段，生成的字节码文件会多出 monitorenter 和 monitorexit 两条指令（利用javap -v *.class字节码文件）

　　　　加了 synchronized 关键字的方法，生成的字节码文件中会多一个 ACC_SYNCHRONIZED 标志位，当方法调用时，调用指令将会检查方法的 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志是否被设置，

　　　    如果设置了，执行线程将先获取monitor，获取成功之后才能执行方法体，方法执行完后再释放monitor。在方法执行期间，其他任何线程都无法再获得同一个monitor对象。

　　　　其实本质上没有区别，只是方法的同步是一种隐式的方式来实现，无需通过字节码来完成。

　　synchronized 的缺点

　　　　1、会让没有得到锁的资源进入Block状态，争夺到资源之后又转为Running状态，这个过程涉及到操作系统用户模式和内核模式的切换，代价比较高。

　　　　2、Java1.6为 synchronized 做了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然较低。

　　锁的获取和释放 建立的happens-before关系

　　　　

 

　　锁的释放和获取的内存语义

 　　　　JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量。

　　　　锁释放与volatile写有相同的内存语义；锁获取与volatile读有相同的内存语义。

　　　　线程A释放一个锁，实质上是线程A向接下来将要获取这个锁的某个线程发出了（线程A对共享变量所做修改的）消息。

　　　　线程B获取一个锁，实质上是线程B接收了之前某个线程发出的（在释放这个锁之前对共享变量所做修改的）消息。

　　　　线程A释放锁，随后线程B获取这个锁，这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。