第二章 并发机制的底层实现原理

Posted 2021-01-07 hzzjj

Java代码在编译后 编程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。

volatiled的应用

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”。可见性的意思是一个线程修改一个共享变量时，其他线程能读到这个修改的值。

volatile的定义与实现原理

Java语言规范第3版中对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被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。

在了解volatile实现原理之前，我们来看下与其实现原理相关的CPU术语与说明。

 

术语	英文单词	术语描述
内存屏障	memory barriers	是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制
缓冲行	cache line	CPU高速缓存中可以分配的最小存储单位。处理器填写缓存行时会加载整个缓存行，现代CPU需要执行几把次CPU指令
原子操作	atomic operations	不可中断的一个或一系列操作
缓存行填充	cache line fill	当处理器识别到从内存中读取操作数是可缓存的，处理器读取整个高速缓存行到适当的缓存（L1,L2,L3的或所有）
缓存命中	cache hit	如果进行高速缓存行填充操作的内存位置仍然是下次处理器访问的地址时，处理器从缓存行中读取操作数，而不是从内存读取
写命中	write hit	当处理器将错作数写回到一个内存缓存的区域时，它首先会检查这个缓存的内存地址是否在缓存行中，如果存在一个有效的缓存行，则处理器将这个操作数写回到缓存，而不是写回到内存
写缺失	write misses the cache	一个有效的缓存行被写入到不存在的内存区域

 

volatile是如何保证可见性的？

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候，会通过Lock指令来保证可见性，而Lock指令在多核处理器会引发两件事

• Lock前缀指令会引起处理器缓存行的数据回写到系统内存
• 这个回写内存的操作会使在其他处理器的缓存无效

Lock前缀指令会引起处理器缓存行的数据回写到系统内存：Lock前缀指令导致在执行指令期间，声言处理器的LOCK#信号。在多处理环境中，LOCK#信号确保在声言该信号期间，处理器可以独占任何共享内存（因为它会锁住总线，导致其他CPU不能访问总线，不能访问总线就意味着不能访问系统内存）。但是，在最近的处理器里，LOCK#信号一般不锁总线，而是锁缓存，毕竟总线开销的比较大。

这个回写内存的操作会使在其他处理器的缓存无效：IA-32处理器和Intel64处理器使用MESI（修改、独占、共享、无效）控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。在多核处理器系统中进行操作的时候，IA-32处理器和Intel64处理器能嗅探其他处理器访问系统内存和它们的内部缓存，处理器使用嗅探技术保证他的内存缓存、系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。

volatile的使用优化

著名的Java并发编程大师Doug lea 在JDK7的并发包新增一个队列集合类Linked-TransferQueue,它在使用volatile变量时，用一种追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能。有兴趣的小伙伴可以自行去检查。这里不多赘述，但是存在两种场景不应该使用这种方式

• 缓存行非64字节宽的处理器
• 共享变量不会被频繁地写

 

 

Synchronized的实现原理与应用

Synchronized很多人称呼它为重量级锁。随着Java SE1.6对Synchronized进行各种优化之后，已经得到很大改善。

Synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁，具体表现以下3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括号里配置的对象

锁到底存在哪里，锁里又会存储什么信息？

从JVM规范中可以看到Synchronized在JVM里的实现原理，JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，而方法同步是使用另外一种方式实现，细节在JVM规范里并没有详细说明。但是，方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。

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被持有后，它将处于锁定状态，线程执行到monitorexit指令时，将会尝试获取对象锁对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

Java对象头

Synchronized用的锁是存在Java对象头里的，如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2个字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit。

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”，在1.6中，锁一共有4中状态，级别从底到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。它们之间随着竞争逐渐升级但不能降级，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

偏向锁 困死了明天再来写