我們知道java實(shí)現(xiàn)的并發(fā)操作最后肯定是由我們的CPU完成的，中間經(jīng)歷了將java源碼編譯成.class文件，然后進(jìn)行加載，然后虛擬機(jī)執(zhí)行引擎進(jìn)行執(zhí)行，解釋為匯編語言，然后轉(zhuǎn)為操作系統(tǒng)指令，然后轉(zhuǎn)為1，0，最后CPU進(jìn)行識(shí)別執(zhí)行。

提到j(luò)ava的并發(fā)，我們不由的就會(huì)想到j(luò)ava中常見的鍵字：volatile和synchronized，我們接下來就會(huì)從這兩個(gè)關(guān)機(jī)字展開分析：

volatile的底層實(shí)現(xiàn)原理

synchronized的實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用

volatile

說到volatile，在java的面試中面試官可是最喜歡問的問題了?？吹剿覀兪紫认氲降谋闶潜３志€程間的可見性，是一個(gè)輕量級(jí)的synchronized，在一些情況下它可以代替synchronized。

volatile的作用：

一個(gè)被volatie修飾的變量，java內(nèi)存模型會(huì)保證所有的線程看見的變量值是一致的。

volatile的工作原理：

我們可以定義一個(gè)volatile變量，并對(duì)他進(jìn)行賦值，并通過工具來獲取jit編譯器生成的匯編指令，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在對(duì)volatile變量進(jìn)行寫操作時(shí)，會(huì)多出一條指令：以lock為前綴的指令：

lock為前綴的指令在多核處理器下回引發(fā)兩件事情：

①將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)回寫到內(nèi)存中。

②這個(gè)回寫內(nèi)存的操作會(huì)使得在其他cpu里緩存了改內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效。

當(dāng)我們知道了以上兩點(diǎn)，我們就不難理解volatie變量的機(jī)制了。

在多處理器下，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的，會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議，每個(gè)處理器通過嗅探在總線上的傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的值是不是過期了。

synchronized

想到多線程的并發(fā)，其實(shí)我第一個(gè)想到的便是這個(gè)synchronized，翻譯過來為同步，我們都知道它是一個(gè)重量級(jí)鎖，當(dāng)對(duì)一個(gè)方法或者代碼塊使用它時(shí)，當(dāng)一個(gè)線程獲得了這個(gè)鎖，那么其它的線程就會(huì)陷入掛起狀態(tài)，在java中也就表現(xiàn)為sleep狀態(tài)，我們都知道線程的掛起和運(yùn)行時(shí)要轉(zhuǎn)入操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)的（與內(nèi)核態(tài)對(duì)應(yīng)的便是用戶態(tài)），這樣特別浪費(fèi)cpu資源，所以這個(gè)重量級(jí)鎖是名副其實(shí)的！

但是，java SE 1.6過后java的維護(hù)團(tuán)隊(duì)對(duì)它進(jìn)行了一系列的優(yōu)化（這些優(yōu)化后面一一講述），他也就沒那么“重”了，以前還有優(yōu)勢(shì)的可重入鎖也變得沒那么有優(yōu)勢(shì)了（ReentrantLock）。

一下我們就下列幾個(gè)方面講述synchronized：

利用synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)

synchronized是如何實(shí)現(xiàn)鎖的

偏向鎖，輕量級(jí)鎖（自旋鎖），重量級(jí)鎖

鎖的升級(jí)

java如何實(shí)現(xiàn)原子操作

①利用synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：

我們?cè)陂_發(fā)中或者java的源碼中都能看見synchronized的身影，例如HashTable，StringBuilder等地方，常見有兩種方式：

Ⅰ丶同步方法

同步方法只需要在方法前加上synchronized便可，當(dāng)一個(gè)線程執(zhí)行它的時(shí)候其他線程便會(huì)陷入等待，直到它釋放鎖。對(duì)方法使用又可以分為兩種：對(duì)普通同步方法和對(duì)靜態(tài)方法，它們之間的差別是加鎖的對(duì)象不同，普通方法加鎖的位置是當(dāng)前的對(duì)象，而靜態(tài)方法加鎖的位置是當(dāng)前類的Class對(duì)象。

Ⅱ丶同步方法塊

同步方法塊加鎖的是Synchronized后括號(hào)里配置的對(duì)象，這個(gè)對(duì)象可以是一個(gè)值以及任何一個(gè)變量或者對(duì)象。

②synchronized是如何實(shí)現(xiàn)鎖的：

在jvm的規(guī)范中可以看到synchronized在jvm中的實(shí)現(xiàn)原理，jvm基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象來實(shí)現(xiàn)同步方法和代碼塊的同步，代碼塊是使用monitorenter和monitorexit指令來實(shí)現(xiàn)的，而同步方法jvm規(guī)范里沒有具體給出，但是我相信具體的原理應(yīng)該相差不大，無非是將java源碼編譯為class文件，在class字節(jié)碼文件中對(duì)使用synchronized的方法進(jìn)行一個(gè)標(biāo)記，在字節(jié)碼引擎執(zhí)行這個(gè)方法的時(shí)候會(huì)對(duì)這個(gè)方法進(jìn)行同步處理。

③偏向鎖，輕量級(jí)鎖（自旋鎖），重量級(jí)鎖：

在講鎖之前我們需要知道java對(duì)象頭，java的對(duì)象頭：
synchronized使用的鎖是存儲(chǔ)在java對(duì)象頭里的，java對(duì)象頭里面有32bit/64bit（視操作系統(tǒng)的位數(shù)而定）長(zhǎng)度的MarkWord 里面存儲(chǔ)了對(duì)象的hashCode和鎖的信息等，在MarkWord中有2bit的空間來表示鎖的狀態(tài)00,01,10,11，分別表示輕量級(jí)鎖，偏向鎖，重量級(jí)鎖，GC標(biāo)記。

偏向鎖：偏向鎖也就人稱它為偏心鎖，從名字我們就可以看出來，它是一個(gè)偏向某一個(gè)線程的鎖。

在實(shí)際的開發(fā)中，我們發(fā)現(xiàn)多線程并發(fā)，大多數(shù)執(zhí)行同步方法的都是同一個(gè)線程，出現(xiàn)多個(gè)線程爭(zhēng)搶一個(gè)方法的概率比較低，所以重復(fù)的獲取鎖和釋放鎖就會(huì)產(chǎn)生大量的資源浪費(fèi)，所以為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低引入了偏向鎖，當(dāng)一個(gè)線程訪問一個(gè)同步塊并獲得鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和線程的棧幀中的鎖記錄中存儲(chǔ)偏向鎖的線程ID，以后該線程進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要進(jìn)行CAS操作來進(jìn)行加鎖和解鎖，只需要簡(jiǎn)單的查看對(duì)象頭的MarkWord里是否還存有指向當(dāng)前的偏向鎖（在MarkWord中每個(gè)對(duì)象還有一個(gè)偏向鎖標(biāo)志位用來表示當(dāng)前對(duì)象是否支持偏向鎖，我們可以使用jvm參數(shù)來設(shè)定偏向鎖）。

關(guān)于偏向鎖的釋放，偏向鎖使用了等到存在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)才釋放鎖的機(jī)制，所以當(dāng)有其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖的時(shí)候持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖。

注意：在java6,7中偏向鎖是默認(rèn)啟動(dòng)的

輕量級(jí)鎖：

輕量級(jí)鎖就是在執(zhí)行同步塊之前，jvm會(huì)在當(dāng)前線程的棧幀中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的的空間，并將對(duì)象頭中的MarkWord復(fù)制到里面，然后線程將嘗試將對(duì)象頭內(nèi)的MarkWord替換為指向鎖記錄的指針，如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，當(dāng)前線程便自旋來獲得鎖。

④鎖的升級(jí)：

當(dāng)前線程如果無法試用上面的方法獲得鎖，那么表示當(dāng)前的鎖存在競(jìng)爭(zhēng)，鎖就會(huì)升級(jí)為重量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖和偏向鎖的區(qū)別：

輕量級(jí)鎖是在無競(jìng)爭(zhēng)的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，而偏向鎖就是在無競(jìng)爭(zhēng)的情況下把整個(gè)同步都去除，連CAS操作都不做！

⑤ java如何實(shí)現(xiàn)原子操作：

在了解java是如何實(shí)現(xiàn)原子操作之前，我們要知道處理器是如何實(shí)現(xiàn)原子操作的：

處理器一般分為兩種方法執(zhí)行原子操作：緩存加鎖和總線加鎖，其中緩存加鎖比較優(yōu)秀而總線加鎖則比較消耗資源。（關(guān)于兩種加鎖的方式我們這里不做過多解釋，具體在操作系統(tǒng)中有詳細(xì)的講解）

java使用（大多數(shù)情況下）循環(huán)CAS實(shí)現(xiàn)原子操作，但是使用CAS實(shí)現(xiàn)原子操作也會(huì)出現(xiàn)下面的一些經(jīng)典的問題：

一）ABA問題

jdk中提供AtomicStampedReference類來解決（提供檢查預(yù)期引用和預(yù)期標(biāo)志）

二）循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開銷大

無法解決，這個(gè)是循環(huán)的通病

三）只能保證一個(gè)共享變量的原子操作

jdk中提供一個(gè)AtomicReference來解決，將多個(gè)共享變量放置在一個(gè)類中進(jìn)行CAS操作。

最新評(píng)論