java并发编程之-java并发编程的底层实现原理

volatile的应用

在多线程中，volatile一直都是用来保证变量的可见性。可见性的意思是，当一个线程对volatile修饰的变量进行修改操作时，其他线程能立刻感知到这种变化，并重新加载这个变量。volatile的经典应用就是Doug lea大神在concurrent并发包中的cas+volatile变量的使用。concurrent包中大量使用cas+volatile来避免使用锁导致的频繁的上下文切换带来的消耗，以此提升高并发下的性能。

那么volatile是如何保证可见性的呢？

阅读了《Java并发编程的艺术》，作者在文中指出，volatile之所以能保证内存可见性，是因为volatile修饰的变量在进行写操作时，在汇编代码下会多出lock前缀。而lock前缀的指令在多核处理器下会引发两件事情：

• 将当前处理器缓存行的数据写回到内存中
• 写回内存的操作会使得其他CPU缓存行中的数据失效，重新从内存加载

这里解释一下，在现代处理器中，CPU的处理速度是最快的，内存次之，硬盘最慢。CPU的速度远远比内存速度要快，为了加快运行速度，通常在CPU与内存中间加缓存，通常是寄存器充当缓存，而现代处理器每个CPU通常都有一级缓存、二级缓存、三级缓存。

这里CPU在运行线程任务时，会将变量加载到CPU的高速缓存中，而多个CPU同时运行时也就会有多个缓存数据，volatile变量在其中一个执行中被写回到内存中时，由于COU实现了缓存一致性协议，就会导致其他CPU缓存行中的数据失效，从而重新加载内存中的变量数据。

synchronized的应用

synchronized在多线程环境中通常用在普通同步方法、静态同步方法以及同步代码块中。

synchronized的含义。

synchronized的不同用法有着不同的含义。

1. synchronized用于普通方法：synchronized锁的是当前实例。
2. synchronized用于静态方法：锁的是当前类的Class对象，Class对象存在于堆中的永久代，是共享区，因此也是全局锁。
3. synchronized静态代码块：synchronized（）括号中的是Class对象时，同2，括号中是对象实例时，同1。

从Java SE1.6开始，引入偏向锁、轻量级锁、重量级锁来对synchronized进行优化，提高并发下的性能。且锁只能升级，不能降级。

偏向锁

偏向锁意思是偏向第一个获得锁的线程，当获得锁的线程再次进入此同步方法时，只需要check对象头的Mark Word中是否有当前线程的线程ID即可，如果有，即可执行同步代码。

偏向锁的获得过程：

1. 访问Mark Word中的偏向锁标识是否设置为1，锁标志位是否为01，确认我可偏向锁状态。
2. 如果为可偏向锁状态，检查Mark Word中的线程ID是否是当前线程，是则直接执行5，不是则执行3。
3. CAS替换Mark Word，成功则将Mark Word中的线程ID替换为当前线程ID，然后执行5。竞争失败，执行4。
4. CAS替换失败，说明有其他线程在竞争，当到达全局安全点时，获得偏向锁的线程被挂起，偏向锁升级为轻量级锁，被挂起的线程继续执行同步代码。
5. 执行同步代码。

轻量级锁

当偏向锁竞争时，便升级为轻量级锁，其他未获得轻量级锁的线程自旋，等待锁的释放，当在自旋周期内仍未获得锁时，轻量级锁升级为重量级锁。

轻量级锁的获得过程：

1. 在代码进入同步代码块时，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志为01，偏向锁为0），虚拟机首先将在当前线程的栈桢中建立一个名为Lock Record的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，称之为Displaced Mark Word。
2. 拷贝对象头的Mark Word到锁记录。
3. 拷贝成功，则CAS操作将对象的Mark Word设置为Lock Record的指针，并将Lock Reocrd的owner指针对象的Mark Word，成功则执行4，否则执行5。
4. 如果这个操作成功了，那么这个线程就拥有了这个对象的锁，并且对象的锁标志为00，表示处于轻量级锁状态。
5. 如果失败，虚拟机会检查这个对象的Mark Word中是否指向当前线程的栈桢，是则说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，可以执行同步代码块。否则说明多个线程竞争锁，轻量级锁就要膨胀为重量级锁，锁标志的状态值变为“10”，Mark Word中存储的就是指向重量级锁（互斥量）的指针，后面等待锁的线程也要进入阻塞状态。 而当前线程便尝试使用自旋来获取锁，自旋就是为了不让线程阻塞，而采用循环去获取锁的过程。

整体来说，synchronized的执行过程为：

1. 检测Mark Word里面是否为当前线程ID，如果是，表示当前线程为偏向锁状态。
2. 如果不是，则CAS将当前线程ID替换Mark Word，成功则表示当前线程获得偏向锁，置偏向标志1，执行同步代码。
3. 如果失败，表示发生竞争，撤销偏向锁，升级为轻量级锁。
4. 当前线程使用CAS将Mark Word指向当前线程的存储Mark Word栈桢的指针，成功，则获得锁。
5. 失败，表示其他线程获得锁，此时自旋来获得锁。
6. 自旋成功，则依然为轻量级锁。
7. 自旋失败，则升级为重量级锁。