1、volatile實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

volatile是輕量級(jí)的synchronized，它在多處理器開發(fā)中保證了共享變量的“可見性”?？梢娦缘囊馑际钱?dāng)一個(gè)線程修改一個(gè)共享變量時(shí)，另外一個(gè)線程能讀到這個(gè)修改的值。如果volatile變量修飾符使用恰當(dāng)?shù)脑?，它比synchronized的使用和執(zhí)行成本更低，因?yàn)樗粫?huì)引起線程上下文的切換和調(diào)度。

1.1、volatile的實(shí)現(xiàn)原理

volatile的定義如下：

Java編程語(yǔ)言允許線程訪問(wèn)共享變量，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致地更新，線程應(yīng)該確保通過(guò)排他鎖單獨(dú)獲得這個(gè)變量。

CPU相關(guān)術(shù)語(yǔ)：

cpu相關(guān)術(shù)語(yǔ).png

2、synchronized實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

Java中的每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖。具體表現(xiàn)為以下3種形式：

• 對(duì)于普通同步方法，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象。
• 對(duì)于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類的Class對(duì)象。
• 對(duì)于同步方法塊，鎖是Synchonized括號(hào)里配置的對(duì)象。

從JVM規(guī)范中可以看到Synchonized在JVM里的實(shí)現(xiàn)原理，JVM基于進(jìn)入和退出Monitor對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)方法同步和代碼塊同步，但兩者的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不一樣。代碼塊同步是使用monitorenter和monitorexit指令實(shí)現(xiàn)的，而方法同步是使用另外一種方式實(shí)現(xiàn)的，細(xì)節(jié)在JVM規(guī)范里并沒有詳細(xì)說(shuō)明。但是，方法的同步同樣可以使用這兩個(gè)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

monitorenter指令是在編譯后插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結(jié)束處和異常處，JVM要保證每個(gè)monitorenter必須有對(duì)應(yīng)的monitorexit與之配對(duì)。任何對(duì)象都有一個(gè)monitor與之關(guān)聯(lián)，當(dāng)且一個(gè)monitor被持有后，它將處于鎖定狀態(tài)。線程執(zhí)行到monitorenter指令時(shí)，將會(huì)嘗試獲取對(duì)象所對(duì)應(yīng)的monitor的所有權(quán)，即嘗試獲得對(duì)象的鎖。

2.1、java對(duì)象頭

synchronized用的鎖是存在Java對(duì)象頭里的。如果對(duì)象是數(shù)組類型，則虛擬機(jī)用3個(gè)字寬（Word）存儲(chǔ)對(duì)象頭，如果對(duì)象是非數(shù)組類型，則用2字寬存儲(chǔ)對(duì)象頭。

對(duì)象頭.png

Java對(duì)象頭里的Mark Word里默認(rèn)存儲(chǔ)對(duì)象的HashCode、分代年齡和鎖標(biāo)記位。

makword.png

Mark Word的狀態(tài)變化：

markword狀態(tài)變化.png

Mark Word的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)：

markword存儲(chǔ)結(jié)構(gòu).png

2.2、鎖的升級(jí)與對(duì)比

Java SE 1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來(lái)的性能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級(jí)鎖”，在Java SE 1.6中，鎖一共有4種狀態(tài)，級(jí)別從低到高依次是：無(wú)鎖狀態(tài)、偏向鎖狀態(tài)、輕量級(jí)鎖狀態(tài)和重量級(jí)鎖狀態(tài)，這幾個(gè)狀態(tài)會(huì)隨著競(jìng)爭(zhēng)情況逐漸升級(jí)。鎖可以升級(jí)但不能降級(jí)，意味著偏向鎖升級(jí)成輕量級(jí)鎖后不能降級(jí)成偏向鎖。這種鎖升級(jí)卻不能降級(jí)的策略，目的是為了提高獲得鎖和釋放鎖的效率。

2.2.1、偏向鎖

大多數(shù)情況下，鎖不僅不存在多線程競(jìng)爭(zhēng)，而且總是由同一線程多次獲得，為了讓線程獲得鎖的代價(jià)更低而引入了偏向鎖。當(dāng)一個(gè)線程訪問(wèn)同步塊并獲取鎖時(shí)，會(huì)在對(duì)象頭和棧幀中的鎖記錄里存儲(chǔ)鎖偏向的線程ID，以后該線程在進(jìn)入和退出同步塊時(shí)不需要進(jìn)行CAS操作來(lái)加鎖和解鎖，只需簡(jiǎn)單地測(cè)試一下對(duì)象頭的Mark Word里是否存儲(chǔ)著指向當(dāng)前線程的偏向鎖。如果測(cè)試成功，表示線程已經(jīng)獲得了鎖。如果測(cè)試失敗，則需要再測(cè)試一下Mark Word中偏向鎖的標(biāo)識(shí)是否設(shè)置成1（表示當(dāng)前是偏向鎖）：如果沒有設(shè)置，則使用CAS競(jìng)爭(zhēng)鎖；如果設(shè)置了，則嘗試使用CAS將對(duì)象頭的偏向鎖指向當(dāng)前線程。

偏向鎖的撤銷：

偏向鎖使用了一種等到競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)才釋放鎖的機(jī)制，所以當(dāng)其他線程嘗試競(jìng)爭(zhēng)偏向鎖時(shí)，持有偏向鎖的線程才會(huì)釋放鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒有正在執(zhí)行的字節(jié)碼）。它會(huì)首先暫停擁有偏向鎖的線程，然后檢查持有偏向鎖的線程是否活著，如果線程不處于活動(dòng)狀態(tài)，則將對(duì)象頭設(shè)置成無(wú)鎖狀態(tài)；如果線程仍然活著，擁有偏向鎖的棧會(huì)被執(zhí)行，遍歷偏向?qū)ο蟮逆i記錄，棧中的鎖記錄和對(duì)象頭的Mark Word要么重新偏向于其他線程，要么恢復(fù)到無(wú)鎖或者標(biāo)記對(duì)象不適合作為偏向鎖，最后喚醒暫停的線程。

偏向鎖獲取及撤銷流程.png

2.2.2、輕量級(jí)鎖

輕量級(jí)鎖加鎖：

線程在執(zhí)行同步塊之前，JVM會(huì)先在當(dāng)前線程的棧楨中創(chuàng)建用于存儲(chǔ)鎖記錄的空間，并將對(duì)象頭中的Mark Word復(fù)制到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然后線程嘗試使用CAS將對(duì)象頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指針。如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競(jìng)爭(zhēng)鎖，當(dāng)前線程便嘗試使用自旋來(lái)獲取鎖。

輕量級(jí)鎖解鎖：

輕量級(jí)解鎖時(shí)，會(huì)使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到對(duì)象頭，如果成功，則表示沒有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生。如果失敗，表示當(dāng)前鎖存在競(jìng)爭(zhēng)，鎖就會(huì)膨脹成重量級(jí)鎖。

輕量級(jí)鎖及膨脹流程.png

因?yàn)樽孕龝?huì)消耗CPU，為了避免無(wú)用的自旋（比如獲得鎖的線程被阻塞住了），一旦鎖升級(jí)成重量級(jí)鎖，就不會(huì)再恢復(fù)到輕量級(jí)鎖狀態(tài)。當(dāng)鎖處于這個(gè)狀態(tài)下，其他線程試圖獲取鎖時(shí)，都會(huì)被阻塞住，當(dāng)持有鎖的線程釋放鎖之后會(huì)喚醒這些線程，被喚醒的線程就會(huì)進(jìn)行新一輪的奪鎖之爭(zhēng)。

鎖的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比：