并发编程（二）原子性和Synchronized同步锁

最新推荐文章于 2022-11-08 08:38:24 发布

ZoeYen_

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分类专栏： java 并发编程文章标签： java

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ZoeYen_/article/details/126029928

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本文深入探讨了Java并发编程中的原子性问题及其解决方案——Synchronized同步锁。介绍了原子性的概念，分析了导致原子性问题的原因，并详细讲解了Synchronized的使用和原理，包括其在JVM中的实现、锁的优化与升级过程。

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在《并发编程（一）》的文末提到了多线程的三大特性：原子性，可见性和有序性。本篇针对原子性展开。

一、原子性

1.什么是原子性

一个操作（事务），不管分几步完成，最终结果只有两种可能，所有步骤都成功或者都失败。

举例：i++操作有三步
①从内存读i的值
②i的值+1
③把结果写回内存（如果阻塞，则修改的值无法写回内存）

在这里插入图片描述

结论：非原子操作

2.造成原子性的原因

①cpu高速缓存的不可见性
在这里插入图片描述
两个线程并行执行 i-- 操作，正确结果应该为8，运行结果为9。

②上下文切换造成的阻塞

比如：
硬件中断（鼠标和键盘操作）
网络/O就绪
线程阻塞，等待
等

3.解决原子性问题之Synchronized同步锁

Synchronized是一个关键字，用Synchronized修饰的内容（加了锁，并行变串行），在同一时刻只允许一个线程访问。具有排他性。

二、Synchronized

1. Synchronized的使用

在这里插入图片描述

Synchronized位置

①② 修饰方法头，如果同时修饰静态方法（static），作用域是该类的所有实例对象。
③④⑤修饰方法体（{}包裹的内容），（）号里的内容就是作用域的范围。

类名.class作用域也是该类的所有实例对象。
其它使用方法的作用域为同一个对象实例。

根据lock_flag来判断锁的状态，0表示无锁状态，1表示有锁状态。

结论：①锁的标记或竞争依赖于对象 ② 锁的本质：竞争共享资源

2. Synchronized的原理

2.1、JVM的结构。

JDK1.8取消了方法区和永久代，转而在内存中开辟了一个元数据区来存储类的信息，字段，方法，接口等，如下图的Meta区域。以前存在方法区的类信息，现在存到了本地内存的元数据区。
jdk 1.8以后，

2.2、类的加载，方法的执行

在这里插入图片描述
方法进栈，对象进堆。
每个栈元素中存放了对应方法的局部变量，操作数栈，动态链接，返回地址等信息。
如上图，mian()方法栈中存放了局部变量h-------->h指向堆中的Hello类实例对象h---------->实例h中的元数据指针指向元数据空间中的Hello类的信息。

2.3、对象头MarkOop

在这里插入图片描述
在hotspot源码中,一个oop实例的构造如下（路径…\src\share\vm\oops\oop.hpp）

class oopDesc {
   
  friend class VMStructs;
 private:
  volatile markOop  _mark; //对象头
  union _metadata {
   
    Klass*      _klass; //元数据指针
    narrowKlass _compressed_klass; //压缩指针
  } _metadata;
........
........
 // locking operations
  bool is_locked()   const;
  bool is_unlocked() const;
  ........
  ........
   // garbage collection
  bool is_gc_marked() const; //是否被gc标记
  ........
  // Age of object during scavenge
  uint age() const;  //gc年龄
  void incr_age();
   ........
   ........
  // identity hash; returns the identity hash key (computes it if necessary)
  // NOTE with the introduction of UseBiasedLocking that identity_hash() might reach a
  // safepoint if called on a biased object. Calling code must be aware of that.
  intptr_t identity_hash();//hashcode
  intptr_t slow_identity_hash();
  ........
}

hostspot教程

markOop对象头： 对象的状态信息
①hashCode：对象在内存中的存放地址
②gc年龄：经历的gc次数（4bit最多15次）
③锁标记：是否持有锁
④monitor：锁监视器

_klass 类元数据指针: 指向本地内存的元数据区，表示该对象是哪个类的实例；

实例数据： 实际数据，变量等，如果变量是数组，则存储的是数组的指针；

对齐填充： 64位的cpu读取内存数据，一次读8个byte（8个内存块）
以前,分次读取，合并计算--------> 为了避免资源浪费，不足8个字节的部分会填充成8个字节，再读取；（空间换时间）

2.4、monitor锁监视器

路径：…\src\share\vm\runtime\objectMonitor.hpp

class ObjectMonitor {
   
............
//构造方法，实例化
ObjectMonitor() {
   
    _header       = NULL; //对象头（markOop对象）
    _count        = 0; //抢占该锁的线程数量
    _waiters      = 0,//当前处于等待状态的线程数量
    _recursions   = 0; //锁重入次数
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;//当前持有锁的线程
    _WaitSet      = NULL;//处于wait状态的线程，被加入到这个linkedList
    _WaitSetLock  = 0 ;//保护WaitSet的一个自旋锁
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL

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