volatile

在多线程并发编程中synchronized和volatile都扮演着重要的角色，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”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。如果volatile变量修饰符使用恰当 的话，它比synchronized的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度

volatile的定义与实现原理

Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。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成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.

  • Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存
  • 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

volatile的使用优化 :并发包里新增一个队列集合类Linked-TransferQueue，它在使用volatile变量时，用一种追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能。追加64字节能够提高并发编程的效率,使 用追加到64字节的方式来填满高速缓冲区的缓存行，避免头节点和尾节点加载到同一个缓存 行，使头、尾节点在修改时不会互相锁定.
那么是不是在使用volatile变量时都应该追加到64字节呢？

  • 缓存行非64字节宽的处理器

  • 共享变量不会被频繁地写

    synchronized

    synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁

  • 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Synchonized括号里配置的对象。

JVM中synchronizd对于同步代码块的锁定实现原理：对于当前线程执行到同步代码块时，同步代码块编译开始处有一个监视开始命令，对应结尾处和出现异常有一个监视结束命令，当线程执行完监视开始命令，就去尝试获取锁中的监视器，当监视器被持有即获得了对象的锁。
数组对象的对象头占三个字宽（4个字节），非数组对象的对象头占两个字宽
Java对象头

  1. Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位
  2. class metadata address里存储对象类型数据的指针
  3. array length:数组长度

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，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。

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线程id。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。

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

锁 优点 缺点 适用场景
偏向锁 加锁和解锁不需要额外消耗，和执行非同步方法相比仅存在纳秒级的差距 如果线程间存在锁竞争，会带来额外的锁撤销的的消耗 适用于只有一个线程访问同步块场景
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，响应时间缓慢 追求吞吐量，同步块执行速度较长


处理器如何实现原子操作？

  • 第一个机制是通过总线锁保证原子性。总线锁就是使用处理器提供的一个 LOCK＃信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住，那么该 处理器可以独占共享内存。
  • 第二个机制是通过缓存锁定来保证原子性。所谓“缓存锁定”是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在Lock操作期间被锁定，那么当它执行锁操作回写到内存时，处理器不在总线上声言LOCK＃信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时，会使缓存行无效，在如图2-3所示的例子中，当CPU1修 改缓存行中的i时使用了缓存锁定，那么CPU2就不能同时缓存i的缓存行。 但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定。 第一种情况是：当操作的数据不能被缓存在处理器内部，或操作的数据跨多个缓存行（cache line）时，则处理器会调用总线锁定。第二种情况是：有些处理器不支持缓存锁定。对于Intel 486和Pentium处理器，就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。

Java如何实现原子操作？

在Java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作

  • 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，循环时间长开销大，以及只能保证一个共享变量的原子操作。
    • ABA问题：因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化 则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它 的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面 追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。从 Java 1.5开始，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，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
    • 循环时间长开销大：自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。pause指令有两个作用：第 一，它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline），使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间 取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；第二，它可以避免在退出循环的时候 因内存顺序冲突（Memory Order Violation）而引起CPU流水线被清空（CPU Pipeline Flush），从而提高CPU的执行效率
    • 只能保证一个共享变量的原子操作：。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循 环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子 性，这个时候就可以用锁。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来 操作。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始， 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