并发编程的挑战和底层原理

并发编程的目的

并发编程的目的是为了让程序运行得更快。

并发编程的挑战

• 上下文切换
• 死锁
• 资源限制

Java 并发机制的底层实现原理

Java 中的并发机制依赖于 JVM 的实现和 CPU 的指令。

volatile 关键字

• volatile 是轻量级的 synchronized，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。

实现原理

• 对 volatile 变量进行写操作时，会多出第二行汇编代码：
  • 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
  • 这个写回内存的操作会使在其他 CPU 里缓存了该内存地址的数据无效。

volatile 的使用优化

• 将共享变量追加到 64 字节，保证每个缓存行中保留完整的一份数据，对于频繁修改的数据，可以有效提高多处理器的处理效率。

synchronized 关键字

• 锁对象
  • 对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
  • 对于静态同步方法，锁是当前类的 Class 对象。
  • 对于同步方法块，锁是 Synchronized 括号里配置的对象。

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：
  • 任何对象都有一个 monitor 与之关联，当且一个 monitor 被持有后，它将处于锁定状态。
  • 代码块同步是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的：
    • 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 必须有对应的 monitorexit 与之配对。
    • 尝试获取对象所对应的 monitor 的所有权，即尝试获得对象的锁。

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，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。

Mark Word

• Mark Word 里默认存储对象的 HashCode、分代年龄和锁标记位。

锁的升级与对比

偏向锁

• 为什么出现：

  • 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。

• 偏向锁的撤销和获取：

  • 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。
  • 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。
  • 偏向锁的获取不需要使用 CAS 操作，线程第一次访问同步块的时候，对象头会被设置为指向这个线程，并标记为偏向锁。
  • 偏向锁的撤销需要使用 CAS。

• 撤销过程：
  • 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。

轻量级锁

• 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。

• 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。

锁的优缺点对比

Java 如何实现原子操作

使用循环 CAS 实现原子操作

• CAS 实现原子操作的三大问题：
  • ABA 问题：
    • JDK 的 Atomic 包里提供了一个类 AtomicStampedReference 来解决 ABA 问题。这个类的 compareAndSet 方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志。
  • 循环时间长开销大。
  • 只能保证一个共享变量的原子操作：
    • JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作。

使用锁机制实现原子操作

• 有偏向锁、轻量级锁和互斥锁。有意思的是，除了偏向锁，JVM 实现锁的方式都用了循环 CAS。
  • 当一个线程想进入同步块时，使用循环 CAS 的方式来获取锁。
  • 当它退出同步块时，使用循环 CAS 释放锁。