java多线程编程（二）

￡神魔★判官ぃ 2022-03-31 09:40 395阅读 0赞

**java多线程编程(二)**

volatile、synchronized及锁对比

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volatile的使用优化

1、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，处理器会将他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，会导致其他
    处理器不能访问自己高速缓存中的尾节点。
    通过填充字节来填满高速缓存行，避免头节点和尾节点加载到同一个缓存行，使其在修改时不会互相锁定。
    
    什么情况下避免使用这种方法：
    缓存行非64字节宽的处理器
    共享变量不会频繁地写
    ！在java7下可能不会生效

二、synchronized 实现原理与应用：

又称为重量级锁：

java中的每一个对象都可以作为锁：

1、对于普通的同步方法，锁是当前实例对象

2、对于静态的同步方法，锁是当前类的Class对象

3、对于同步方法块，锁是Synchonized括号里配置的对象

从JVM规范中可以看到Synchonized在JVM里的实现原理，JVM基于进入和退出Moniter对象来实现方法同步和代码块同步

但两者的实现细节不一样。

代码块同步是使用monitorenter 和 monitorexit指令实现的；

而方法同步是使用的另外一种方式实现的  
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，JVm  
要保证每个monitorenter必须与对应的monitorexit配对，当一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到  
moniterenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor所有权，即尝试获取对象的锁。

2.2.1 Java对象头

synchronized用的锁存储在对象头中，数组对象用三个字节宽存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2个字节宽存储对象  
1个字节宽等于4字节即32bit

java对象头的长度：

32/64bit Mark Word 存储对象的hashCode或锁信息

32/64bit Class Metadata Address 存储对象类型数据的指针

32/64bit Array length 数组的长度（如果当前对象是数组）

Java对象头里的Mark Word里默认·存储对象的HashCode、分代年龄和锁位标记。32位JVM的Mark Word的默认存储结构如下：

锁状态：无锁状态 25bit：对象的hashCode 4bit：对象分代年龄 1bit是否是偏向锁：0 2bit：锁标志位

Mark Word的状态变化：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1Byb2dyYW1Nb25pa2E_size_16_color_FFFFFF_t_70]

64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1Byb2dyYW1Nb25pa2E_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

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”，在  
Java SE 1.6中，锁一共有4种状态，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。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高  
获得锁和释放锁的效率，

HotSpot作者认为大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同  
一线程多次获得，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。

（1）偏向锁的撤销

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。图2-1中的线  
程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1Byb2dyYW1Nb25pa2E_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

（2）关闭偏向锁

偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如  
有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程  
序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-  
UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。

2.轻量级锁

（1）轻量级锁加锁

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。

（2）轻量级锁解锁

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，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，锁就会膨胀成重量级锁。图2-2是  
两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级  
成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，  
都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮  
的夺锁之争。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1Byb2dyYW1Nb25pa2E_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
什么是CAS操作  
参看如下：  
[https://blog.csdn.net/qq\_37937537/article/details/82798218][https_blog.csdn.net_qq_37937537_article_details_82798218]

3.锁的优缺点对比  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1Byb2dyYW1Nb25pa2E_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
2.3 原子操作的实现原理  
原子（atomic）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意  
为“不可被中断的一个或一系列操作”。

在多处理器上实现原子操作就变得有点复杂。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L1Byb2dyYW1Nb25pa2E_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220331/6678a288a87c49839c8b72e250017cdc.png
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