java 并发编程的思考

程序开发中，经常会对某个资源进行并发读写，进而导致幻读，脏读，不可重复读等问题，解决思路就是封锁技术，本节就聊聊java并发编程中的主要技术。

基础

　1）通过在总线加LOCK#锁的方式

是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下

　2）通过缓存一致性协议

最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

原子性

即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行

可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值

有序性

有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行，但是一般处理器会指令重排序。

 happens-before 原则保证了程序最终结果会和代码顺序执行结果相同，说白了就是数据依赖性。

JMM

Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操作，然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中

原子性：

Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

可见性

对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性

有序性

在Java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

　　在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”（具体原理在下一节讲述）。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，很显然，synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性。

　　另外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么它们就不能保证它们的有序性，虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

　　下面就来具体介绍下happens-before原则（先行发生原则）：

• 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
• 锁定规则：一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作
• volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
• 传递规则：如果操作A先行发生于操作B，而操作B又先行发生于操作C，则可以得出操作A先行发生于操作C
• 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
• 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
• 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
• 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

并发技术探讨：

volatile:

volatile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。

volatile是cpu级别的操作，不牵扯线程的上下文切换和cpu缓存的刷新。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。

synchronized:

synchronized通过锁机制实现同步。当线程释放锁时，JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存，
当线程获取锁时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。从而使得被监视器保护的临界区代码必须从主内存中读取共享变量。

 synchronized实现原理：

synchronized是基于Monitor来实现同步的，感觉要补充一下操作系统的东西了。

Monitor从两个方面来支持线程之间的同步：

• 互斥执行

• 协作

monitor机制：

  monitor是为了解决信号量机制的不足，将共享变量及对共享变量能够进行的所有操作(还有信号量：wait和siginal)集中在一个模块中。

monitor特点：

任何进程只能通过调用管程提供的过程入口才能进入管程访问共享数据；

任何时刻，仅允许一个进程在管程中执行某个内部过程

对共享变量互斥操作

操作的同步控制

monitor结构

• 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
• 每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对
• 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
• 

monitorenter

每一个对象都有一个monitor，一个monitor只能被一个线程拥有。当一个线程执行到monitorenter指令时会尝试获取相应对象的monitor，获取规则如下：

• 如果monitor的进入数为0，则该线程可以进入monitor，并将monitor进入数设置为1，该线程即为monitor的拥有者。

• 如果当前线程已经拥有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1，所以synchronized关键字实现的锁是可重入的锁。

• 如果monitor已被其他线程拥有，则当前线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor。

monitorexit

只有拥有相应对象的monitor的线程才能执行monitorexit指令。每执行一次该指令monitor进入数减1，当进入数为0时当前线程释放monitor，此时其他阻塞的线程将可以尝试获取该monitor。

Monitor 的工作机理

• 线程进入同步方法中。

• 为了继续执行临界区代码，线程必须获取 Monitor 锁。如果获取锁成功，将成为该监视者对象的拥有者。任一时刻内，监视者对象只属于一个活动线程（The Owner）

• 拥有监视者对象的线程可以调用 wait() 进入等待集合（Wait Set），同时释放监视锁，进入等待状态。

• 其他线程调用 notify() / notifyAll() 接口唤醒等待集合中的线程，这些等待的线程需要重新获取监视锁后才能执行 wait() 之后的代码。

• 同步方法执行完毕了，线程退出临界区，并释放监视锁。

synchronized具体实现

1、同步代码块采用monitorenter、monitorexit指令显式的实现。

2、同步方法则使用ACC_SYNCHRONIZED标记符隐式的实现。

锁存放的位置

锁标记存放在Java对象头的Mark Word中。

Java对象头长度

32位JVM Mark Word 结构

32位JVM Mark Word 状态变化

JavaSE1.6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”。

在JavaSE1.6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、轻量级锁状态和重量级锁状态，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：

无锁竞争的情况下为了减少锁竞争的资源开销，引入偏向锁。

锁粗化（Lock Coarsening）：也就是减少不必要的紧连在一起的unlock，lock操作，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。

锁消除（Lock Elimination）：锁削除是指虚拟机即时编译器在运行时，对一些代码上要求同步，但是被检测到不可能存在共享数据竞争的锁进行削除。

适应性自旋（Adaptive Spinning）：自适应意味着自旋的时间不再固定了，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。如果在同一个锁对象上，自旋等待刚刚成功获得过锁，并且持有锁的线程正在运行中，那么虚拟机就会认为这次自旋也很有可能再次成功，进而它将允许自旋等待持续相对更长的时间，比如100个循环。另一方面，如果对于某个锁，自旋很少成功获得过，那在以后要获取这个锁时将可能省略掉自旋过程，以避免浪费处理器资源。

2.2.4 锁的优缺点对比

lock:

3.1、队列同步器（AQS）

队列同步器AbstractQueuedSynchronizer（以下简称同步器），是用来构建锁或者其他同步组件的基础框架。

3.1.1、它使用了一个int成员变量表示同步状态。

3.1.2、通过内置的FIFO双向队列来完成获取锁线程的排队工作。

• 同步器包含两个节点类型的应用，一个指向头节点，一个指向尾节点，未获取到锁的线程会创建节点线程安全（compareAndSetTail）的加入队列尾部。同步队列遵循FIFO，首节点是获取同步状态成功的节点。

  

• 未获取到锁的线程将创建一个节点，设置到尾节点。如下图所示：

• 首节点的线程在释放锁时，将会唤醒后继节点。而后继节点将会在获取锁成功时将自己设置为首节点。如下图所示：

  

3.1.3、独占式/共享式锁获取

独占式：有且只有一个线程能获取到锁，如：ReentrantLock。</pre>

共享式：可以多个线程同时获取到锁，如：CountDownLatch

独占式

• 每个节点自旋观察自己的前一节点是不是Header节点，如果是，就去尝试获取锁。

  

• 独占式锁获取流程：

共享式：

• 共享式与独占式的区别：

  

• 共享锁获取流程：

cas:

CAS，在Java并发应用中通常指CompareAndSwap或CompareAndSet，即比较并交换。

1、CAS是一个原子操作，它比较一个内存位置的值并且只有相等时修改这个内存位置的值为新的值，保证了新的值总是基于最新的信息计算的，如果有其他线程在这期间修改了这个值则CAS失败。CAS返回是否成功或者内存位置原来的值用于判断是否CAS成功。

2、JVM中的CAS操作是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。

优点：

• 竞争不大的时候系统开销小。

缺点：

【１】循环时间长开销大。CAS长时间自旋不成功，给CPU带来很大的性能开销。解决方法：JVM能支持pause指令，效率会有一定的提升。
【２】只能保证一个共享变量的原子操作。对多个共享变量操作时，不能保证原子性。 解决方法：加锁；共享变量合并成一个共享变量
【３】ABA的问题。解决方法就是：增加版本号，每次使用的时候版本号+1，每次变量更新的时候版本号+1。java提供AtomicStampzedReference来解决ABA问题。