Java并发机制的底层实现原理

Java代码在编译后会变成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斜体样式中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和CPU的指令。

1.volatile的应用

  在多线程并发编程中synchronized和volatile都扮演这重要的角色，volatile是轻量级的synchronized，他在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另一个线程能读到这个修改的值。如果volatile变量修饰使用恰当的话，他比synchronized的使用和执行成本更低，因为他不会引起线程上下文的切换和调度。

1.1 volatile的定义与实现

定义：java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能本准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获取这个变量。

  java语言提供了volatile，在某些情况下比锁要更加方便。如果一个字段被声明为volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

volatile的两条实现原则

1. Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存。 Lock前缀指令导致在执行指令期间，声明处理器的信号。在多处理器环境中，LOCK#信号确保在声言改处理器期间，处理器可以独占任何共享内存。

2. 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。

2.synchronized的实现原理与应用

  在多线程并发编程中synchronized一直是元老级角色，很多人都称呼他为重量级锁，但是随着java SE 1.6对synchronized进行了各种优化后，有些情况下他就并不那么重了。

synchronized实现同步的基础：java中每个对象都可以作为锁。具体表现为以下三种形式

 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. 对于同步代码块，锁是Synchronized括号里配置的对象

   当一个线程视图访问同步代码块时，他首先必须得到锁，退出或者抛出异常时必须释放锁。那么锁到底存在哪里呢? 锁里面会存储什么信息呢？

   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，而方法同步则是使用另外一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有说明。方式方法的同步同样是这两个指令来实现。

   monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。人格对象都有一个monitor与之关联，当一个monitor被持有后，他将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。

2.1 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字宽存储对象头。在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32 bit，在64位虚拟机中则是64 bit。

   Java对象头的长度

长度	内容	说明
32/62 bit	Mark Word	存储对象的hashCode或锁信息等
32/62 bit	Class Metadata Address	存储到对象类型数据的指针
32/62 bit	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、分代年龄和锁标记位。32位JVM Mark Word 的默认存储结构如下图：

   Java对象头的存储结构

锁状态	25 bit	4 bit	1 bit 是否是偏向锁	2 bit 锁标志位
无锁状态	对象的hashCode	对象分代年龄	0	01

  在运行期间，Mark Word 里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。Mark Word 可能变化为存储一下4种数据：

   Mark Word 的状态变化

锁状态	25 bit		4 bit	1 bit	2 bit
	23 bit	2 bit		是否是偏向锁	锁标志位
轻量级锁	指向栈中锁记录的指针				00
重量级锁	指向互斥量（重量级锁）的指针				10
GC标记	空	11
偏向锁	线程ID	Epoch	对象分代年龄	1	01

   在64位虚拟机下，Mark Wrod是64 bit 大小的，其存储结构如下：

锁状态	25 bit	31 bit	1 bit	4 bit	1 bit	2 bit
			cms_free	分代年龄	偏向锁	锁标志位
无锁	unused	hashCode			0	01
偏向锁	ThreadID(54 bit) Epoch(2 bit)				1	01

3 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”，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、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为偏向锁。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得所和释放锁的效率。

3.1 偏向锁

   HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一个线程多次获得，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，只需要简单的测试一下对象头的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，则需要在测试一下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代码）。他会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查拥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，要么恢复到无锁标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

下图演示了偏向锁的获取和撤销流程

2. 关闭偏向锁

  偏向锁在Java 6 和 Java 7 里是默认启用的，但是他在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要刻意使用 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都处于竞争状态，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。

3.2 轻量级锁

1. 轻量级锁加锁

  线程在执行同步代码块之前，JVM 会先在当前线程的栈帧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

  轻量级锁解锁时，会使用原子的CAS操作将 Displaced Mark Word 替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发送，如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

下图是两个线程同时争夺锁，导出锁膨胀的流程图

  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，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。

3.3 锁的优缺点对比

锁	优点	缺点	适用场景
偏向锁	加锁和解锁不需要额外的消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距	如果线程之间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的消耗	适用于只有一个线程访问同步块的场景
轻量级锁	竞争的线程不会阻塞，提高了程序的响应速度	如果始终得不到锁竞争的线程，使用自旋会消耗CPU	追求响应时间，同步块执行速度非常快
重量级锁	线程竞争不使用自旋，不会消耗CPU	线程阻塞，响应时间慢	追求吞吐量，同步块执行速度较长