Java并发机制底层实现原理

上下文切换

即使是单核处理器也支持多线程执行代码,CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现这个机制。时间片是CPU分配给各个线程的时间,因为时间片非常短,所以CPU通过不停地切换线程执行,让我们感觉多个线程是同时执行的,时间片一般是几十毫秒(ms)。

CPU通过时间片分配算法来循环执行任务,当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是,在切换前会保存上一个任务的状态,以便下次切换回这个任务时,可以再加载这个任务的状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

当并发执行累加操作不超过百万次时,速度会比串行执行累加操作要慢。那么,为什么并发执行的速度会比串行慢呢? 这是因为线程有创建和上下文切换的开销。

减少上下文切换

  • 无锁并发编程。多线程竞争锁时,会引起上下文切换,所以多线程处理数据时,可以用一些办法来避免使用锁,如将数据的ID按照Hash算法取模分段,不同的线程处理不同段的数据。

  • CAS算法。Java的Atomic包使用CAS算法来更新数据,而不需要加锁。

  • 使用最少线程。避免创建不需要的线程,比如任务很少,但是创建了很多线程来处理,这样会造成大量线程都处于等待状态。

  • 协程:在单线程里实现多任务的调度,并在单线程里维持多个任务间的切换。

CAS

在JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这会导致有锁,从而有上下文切换等开销。

synchronized就是一种独占锁,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。而另一个更加有效的锁就是乐观锁。所谓乐观锁就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。

CAS,compare and swap的缩写,中文翻译成比较并交换。

在Java发展初期,java语言是不能够利用硬件提供的这些便利来提升系统的性能的。而随着java不断的发展,Java本地方法(JNI)的出现,使得java程序越过JVM直接调用本地方法提供了一种便捷的方式,因而java在并发的手段上也多了起来。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则,处理器不做任何操作。无论哪种情况,它都会在 CAS 指令之前返回该 位置的值。(在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A;如果包含该值,则将 B 放到这个位置;否则,不要更改该位置,只告诉我这个位置现在的值即可。

利用CPU的CAS指令,同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。

避免死锁方法

  • 避免一个线程同时获取多个锁。
  • 避免一个线程在锁内同时占用多个资源,尽量保证每个锁只占用一个资源。
  • 尝试使用定时锁,使用lock.tryLock(timeout)来替代使用内部锁机制。
  • 对于数据库锁,加锁和解锁必须在一个数据库连接里,否则会出现解锁失败的情况

底层探索

Java代码在编译后会变成Java字节码,字节码被类加载器加载到JVM里,JVM执行字节码,最终需要转化为汇编指令在CPU上执行,Java中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和CPU的指令。

volatile实现原理

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。

加了volatile关键字,再对共享变量进行写操作时,从汇编角度会有Lock前缀指令引发两件事:
1)将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
2)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

synchronized的实现原理

Java对象头
synchronized用的锁是存在Java对象头里的。

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

锁的升级
Java SE 1.6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Java SE 1.6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
    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偏向锁。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。

原子操作的实现原理

处理器实现原子操作

  • 使用总线锁保证原子性

所谓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。

  • 使用缓存锁保证原子性

Java实现原子性

在Java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作

锁机制实现原子性

锁机制保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域。JVM内部实现了很多种锁机制,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,即当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁,当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁

循环CAS实现原子操作的三大问题

  • 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。
  • 循环时间长开销大
  • 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,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。

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转载自blog.csdn.net/AIJXB/article/details/113836902

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