基本概念

  • 原子操作：不可中断的一个或一系列操作。JAVA使用锁和循环(自旋)CAS实现。
  • CAS的缺点：1.ABA问题(使用版本号解决)；2.循环开销大；3.只能保证一个共享变量的原子操作。
  • CAS定义：CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

上下文切换：任务从保存到再加载的过程。(多线程调度会切换到内核态)

  1. 内核态：cpu可以访问内存的所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡，cpu也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。
  2. 用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用cpu的能力被剥夺，cpu资源可以被其他程序获取。所有程序运行在用户态，但IO等操作切换到内核态。

减少上下文切换：无锁并发编程、CAS算法、使用协程。
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一个线程拥有多个【协程】，协程是特殊的函数，由程序控制，只在用户态运行。

  • 多个协程是串行执行的，只能在一个线程内运行，没法利用CPU多核能力。
  • 协程与进程一样，切换是存在上下文切换问题的

volatile ：轻量级，保证了共享变量的“可见性”，但其无原子性。
synchronized ：重量级，是悲观锁、非公平锁、重入锁。

对象头与锁升级

对象头12B(3字节/8B)，其中锁状态存放在Mark Word(4B)中。对象头的MarkWord如下:

锁状态 25bit 4bit 1bit是否为偏向锁 2bit锁标志
无锁状态 hash code 对象年龄 0 01
轻量级 指向栈中锁记录的指针 00
重量级 指向互斥量(重量级锁)的指针 10
GC 空 11
偏向锁 线程ID、Epoch 年龄 1 01

锁升级

定义：为了减少获得锁和释放锁的性能开销。
升级路线：无锁状态->偏向锁->轻量级锁->重量级锁。
优点与缺点：

锁 优点 缺点 适用场景
偏向锁 加解锁无太多开销 有锁竞争的话会有锁撤销的开销 只有一个线程访问同步块的情况
轻量级锁 竞争的线程不会阻塞 自旋占用CPU 追求响应时间或同步块执行速度非常快
重量级锁 不会自旋，避免占用CPU 线程阻塞，响应时间慢 追求吞吐量或同步块执行时间较长

1. 偏向锁

偏向锁：测试Mark Word里是否存在指向当前线程的偏向锁；如果是则获得锁，否则检查标志位是否为1。若为1则使用CAS将偏向锁指向当前线程，否则使用CAS竞争锁。
锁的撤销：当遇到竞争才释放锁，此时有较大的开销。首先暂停有偏向锁的进程，检查其是否存活，若不存活则设为无锁状态，否则被暂停的进程会先执行然后重设偏向锁。

2. 轻量级锁

  1. 加锁：线程执行同步块之前，会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。然后尝试CAS替换Mark word为指向锁记录的指针；如果成功则获取到锁，否则进入自旋。
  2. 解锁：CAS替换刚刚拷贝的Mark Word回对象头，如果成功表示没有竞争；如果失败则发生锁膨胀。