java多线程编程（二）

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：

64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下：

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。

（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。

什么是CAS操作
参看如下：
https://blog.youkuaiyun.com/qq_37937537/article/details/82798218

3.锁的优缺点对比

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。