備注：本文是《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》一書(shū)的讀書(shū)筆記,。

volatile的應(yīng)用

 volatile是輕量級(jí)的synchronized,他在多處理器開(kāi)發(fā)中保證了共享變量的“可見(jiàn)性”,。可見(jiàn)性的意思是當(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)脑挘萻ynchronized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,。

synchronized的實(shí)現(xiàn)原理與應(yīng)用

 synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：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中形勢(shì)* 

 1.對(duì)于普通同步方法,，鎖是當(dāng)前實(shí)例對(duì)象,。
 2.對(duì)于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類(lèi)的Class對(duì)象,。
 3.對(duì)于同步方法塊,，鎖是Synchronized括號(hào)里配置的對(duì)象。
 當(dāng)一個(gè)線程試圖訪問(wèn)同步代碼塊時(shí),，它首先必須得到鎖,，推出或拋出異常時(shí)必須釋放鎖。  

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(méi)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(xiāo),，需要等待全局安全點(diǎn)（在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上沒(méi)有正在執(zhí)行的字節(jié)碼）。  

輕量級(jí)鎖

  線程在執(zhí)行同步塊之前,，JVM會(huì)先在當(dāng)前線程的棧幀中創(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(chēng)為Displaced Mark Word。然后線程嘗試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)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(méi)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,。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）,，一旦確認(rèn)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

原子操作的實(shí)現(xiàn)原理

 

原子（atomic）本意是“不能被進(jìn)一步分割的最小粒子“,，而原子操作（atomic operation）意為“不可被中斷的一個(gè)或一系列操作“,。  

術(shù)語(yǔ)定義

處理器如何實(shí)現(xiàn)原子操作

 處理器提供總線鎖定和緩存鎖定兩個(gè)機(jī)制來(lái)保證復(fù)雜內(nèi)存操作的原子性

（1）使用總線鎖保證原子性：第一機(jī)制是通過(guò)總線鎖保證原子性,。保證CPU1讀改寫(xiě)共享變量的時(shí)候，CPU2不能操作緩存了該共享變量?jī)?nèi)存地址的緩存,。所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個(gè)LOCK#信號(hào),，當(dāng)一個(gè)處理器在總線上輸出此信號(hào)時(shí)，其他處理器的請(qǐng)求將被阻塞住,，那么該處理器可以獨(dú)享共享內(nèi)存,。
（2）使用緩存鎖保證原子性：第二個(gè)機(jī)制是通過(guò)緩存鎖定來(lái)保證原子性。在同一時(shí)刻,，我們只需保證對(duì)某個(gè)內(nèi)存地址的操作是原子性即可,，但總線鎖定把CPU和內(nèi)存之間的通信鎖住了，這使得鎖定期間,，其他處理器不能操作其它內(nèi)存地址的數(shù)據(jù),，所以總線鎖定的開(kāi)銷(xiāo)比較大，目前處理器在某些場(chǎng)景下使用緩存鎖定代替總線鎖定來(lái)進(jìn)行優(yōu)化,。所謂“緩存鎖定”是指內(nèi)存區(qū)域如果被緩存在處理器的緩存行中,，并且在Lock操作期間被鎖定，那么當(dāng)其他執(zhí)行鎖操作回寫(xiě)到內(nèi)存時(shí),，處理器不在總線上聲言LOCK#信號(hào),，而是修改內(nèi)部的內(nèi)存地址，并允許它的緩存一致性機(jī)制來(lái)保證操作的原子性,，因?yàn)榫彺嬉恢滦詸C(jī)制會(huì)阻止同時(shí)修改由兩個(gè)以上處理器緩存的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù),，到其他處理器回寫(xiě)已被鎖定的緩存行數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)使緩存行無(wú)效,。
但是有兩種情況下處理器不回使用緩存鎖定:當(dāng)操作的數(shù)據(jù)不能被緩存在處理器內(nèi)部,，或操作的數(shù)據(jù)跨多個(gè)緩存行時(shí)，則處理器會(huì)調(diào)用總線鎖定。當(dāng)有些處理器不支持緩存鎖定,。

（1）使用循環(huán)CAS實(shí)現(xiàn)原子操作：JVM中的CAS操作正是利用了處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的,。自旋CAS實(shí)現(xiàn)的基本思路就是循環(huán)進(jìn)行CAS操作直到成功為止。從Java1.5開(kāi)始,，JDK的并發(fā)包里提供了一些類(lèi)來(lái)支持原子操作,，如AtomicBoolean。
（2）CAS實(shí)現(xiàn)原子操作的三大問(wèn)題：ABA問(wèn)題,，因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候,，檢查值有沒(méi)有發(fā)生變化，如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新,，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A,，變成了B，又變成了A,，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒(méi)有變化,，但是實(shí)際上卻變化了。ABA問(wèn)題的解決思路是使用版本號(hào),，在變量前追加版本號(hào),，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加1，那么A-B-A就會(huì)變成了1A-2B-3A,。從JAVA1.5開(kāi)始,，JDK的Atomic包里提供了一個(gè)類(lèi)AtomicStampedreference來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類(lèi)的compareAndSet方法的作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用,，并且檢查當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志,，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)識(shí)的值設(shè)置為給定的更新值,。循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷(xiāo)大,，自旋CAS如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo),。如果JVM能支持處理器提供的pause指令,，那么效率會(huì)有一定的提升,。pause指令有兩個(gè)作用：第一,，它可以延遲流水線執(zhí)行指令，使CPU不會(huì)消耗過(guò)多的執(zhí)行資源,，延遲的時(shí)間取決于具體的版本,，在一些處理器上延遲時(shí)間是零；第二,，它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突而引起CPU流水線被清空,，從而提高CPU的執(zhí)行效率。只能保證一個(gè)共享變量的原子性，當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí),，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來(lái)保證原子操作,，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán)CAS就無(wú)法保證操作的原子性,，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖,。還有一個(gè)取巧的辦法，就是把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來(lái)操作,。Java1.5以后JDK提供了AtomicReference類(lèi)來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性,，就可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作。
（3）使用鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)原子操作：鎖機(jī)制保證了只有獲得鎖的線程才能狗操作鎖定的內(nèi)存區(qū)域,。JVM內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了很多種鎖機(jī)制,，有偏向鎖、輕量級(jí)鎖和互斥鎖,。有意思的是除了偏向鎖,，JVM實(shí)現(xiàn)鎖的方式都用了循環(huán)CAS，即一個(gè)線程想進(jìn)入同步塊的時(shí)候使用循環(huán)CAS的方式來(lái)獲取鎖,，當(dāng)它退出同步塊的時(shí)候使用循環(huán)CAS釋放鎖,。

Java內(nèi)存模型的基礎(chǔ)

 在并發(fā)編程中，需要處理兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：線程之間如何通信及線程之間如何同步（這里的線程是指并發(fā)執(zhí)行的活動(dòng)實(shí)體）,。通行是指線程之間以何種機(jī)制來(lái)交換信息,。在命令式編程中，線程之間的通信機(jī)制有兩種：內(nèi)存共享和消息傳遞,。
   

同步 是指程序中用于控制不同線程間操作發(fā)生相對(duì)順序的機(jī)制,。在共享內(nèi)存并發(fā)模型里，同步是顯性進(jìn)行的,。程序員需要顯性執(zhí)行某個(gè)方法或某段代碼需要在線程之間互斥執(zhí)行,。在消息傳遞的并發(fā)模型里，由于消息的發(fā)送必須在消息的接受之前,，因此同步是隱形進(jìn)行的,。

Java并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型。

JMM通過(guò)控制主內(nèi)存與每個(gè)線程的本地內(nèi)存之間的交互,，來(lái)為Java程序員提供內(nèi)存可見(jiàn)性,。

從源代碼到指令序列的重排序

在執(zhí)行程序時(shí)，為了提高性能,，編譯器和處理器常常會(huì)對(duì)指令做重排序,，重排序分3種類(lèi)型。
1)編譯器優(yōu)化的重排序,。編譯器在不改變單線程程序語(yǔ)義的前提下,，可以重新安排語(yǔ)句的執(zhí)行順序,。
2）指令級(jí)并行的重排序。現(xiàn)代處理器采用了指令級(jí)并行技術(shù)來(lái)將多條指令重疊執(zhí)行,。如果不存在數(shù)據(jù)依賴(lài)性,，處理器可以改變語(yǔ)句對(duì)應(yīng)機(jī)器指令的執(zhí)行順序。
3）內(nèi)存系統(tǒng)的重排序,。由于處理器使用緩存和讀／寫(xiě)緩沖區(qū),，這使得加載和存儲(chǔ)操作看上去可能是在亂序執(zhí)行。

happens-before簡(jiǎn)介

 JSR-133(JDK1.5開(kāi)始Java使用的新的內(nèi)存模型)使用 happens-before 的概念來(lái)闡述操作之間的內(nèi)存可見(jiàn)性,。在JMM中,，如果一個(gè)操作執(zhí)行的結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見(jiàn)，那么這兩個(gè)操作之間必須要存在happens-before關(guān)系,。這里提到的兩個(gè)操作既可以是在一個(gè)線程內(nèi),，也可以是在不同線程之間。
   

程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作,，happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作,。
 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)鎖的解鎖，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖,。
 volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫(xiě),，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)　volatile域的讀。
 傳遞性：如果A heppens-before于B,，且B happnes-before C,， 那么A happens-before C。

兩個(gè)操作之間具有happens-before關(guān)系,，并不意味著前一個(gè)操作必須要在后一個(gè)操作之前執(zhí)行,，happens-before僅僅要求前一個(gè)操作（執(zhí)行的結(jié)果）對(duì)后一個(gè)操作可見(jiàn)，且前一個(gè)操作按順序排在第二個(gè)操作之前,。

重排序

 重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對(duì)指令序列進(jìn)行重新排序的一種手段,。

as-if-serial語(yǔ)義

 as-if-serial的語(yǔ)義是：不管怎么重排序，單線程程序執(zhí)行的結(jié)果不能被改變,。編譯器,、runtime和處理器都必須遵守as-if-serial語(yǔ)義。

volatile的內(nèi)存語(yǔ)義

• 可見(jiàn)性,。對(duì)一個(gè)volatile變量的讀,，總是能看到任意線程對(duì)這個(gè)volatile變量最后的寫(xiě)入。
  

• 原子性,。對(duì)任意單個(gè)volatile變量的讀／寫(xiě)具有原子性,，但類(lèi)似于volatile++這種復(fù)合操作不具有原子性。

  
  

volatile寫(xiě)-讀的內(nèi)存語(yǔ)義：當(dāng)寫(xiě)一個(gè)volatile變量時(shí),，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存,。
volatile讀的內(nèi)存語(yǔ)義：但讀一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無(wú)效,。線程接下來(lái)將從主內(nèi)存中讀取共享變量,。
為了實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語(yǔ)義，編譯器在生成字節(jié)碼時(shí),，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序,。

鎖的內(nèi)存語(yǔ)義

鎖的釋放和獲取的內(nèi)存語(yǔ)義

• 當(dāng)線程釋放鎖時(shí)：JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存中。  

• 當(dāng)線程獲取鎖時(shí)：JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地變量置為無(wú)效,，從而使得被監(jiān)視器保護(hù)的臨界區(qū)代碼必須從主內(nèi)存中讀取共享變量,。

  
  

CAS具有volatile讀和volatile寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義

公平鎖與非公平鎖的內(nèi)存語(yǔ)義（ReentrantLock為例）：

• 公平鎖和非公平鎖釋放時(shí)，最后都要寫(xiě)一個(gè)volatile變量state,。  

• 公平鎖獲取時(shí),，首先會(huì)去讀volatile變量。  

• 非公平鎖獲取時(shí),，首先會(huì)用CAS更新volatile變量,，這個(gè)操作同時(shí)具有volatile讀和volatile寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義。

  
  

從對(duì)ReentrantLock的分析可以看出,，釋放鎖-獲取鎖的內(nèi)存語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)至少有下面兩種方式：

• 利用volatile變量的寫(xiě)-讀所具有的內(nèi)存語(yǔ)義,。

• 利用CAS所附帶的volatile讀和volatile寫(xiě)的內(nèi)存語(yǔ)義。  

  
  

final域的內(nèi)存語(yǔ)義

• 在構(gòu)造函數(shù)內(nèi)對(duì)一個(gè)final域的寫(xiě)入,，與隨后把這個(gè)被構(gòu)造對(duì)象的引用賦值給一個(gè)引用變量,，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

  
  

• 初次讀一個(gè)包含final域的對(duì)象的引用,，與隨后初次讀這個(gè)final域,，這兩個(gè)操作之間不能重排序。

  
  

JSR-133為什么要增強(qiáng)final的語(yǔ)義,？
在舊的Java內(nèi)存模型中,，一個(gè)最嚴(yán)重的缺陷就是線程可能看到final域的值會(huì)改變，比如,，一個(gè)線程當(dāng)前看到一個(gè)證書(shū)final域的值為0（還未初始化之前的默認(rèn)值）,，過(guò)一段時(shí)間之后這個(gè)線程再去讀這個(gè)final域的值時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)值變成了1(被某個(gè)線程初始化之后的值),。

happens-before

happens-before定義：  

• 如果一個(gè)操作happens-before另一個(gè)操作,，那么第一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果將對(duì)第二個(gè)操作可見(jiàn)，而且第一個(gè)操作的執(zhí)行順序排在第二個(gè)操作之前,。（是JMM對(duì)程序員的承諾）

• 兩個(gè)操作之間存在happens-before關(guān)系,，并不意味著Java平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)必須要按照happens-before關(guān)系執(zhí)行的順序來(lái)執(zhí)行。如果重排序之后的執(zhí)行結(jié)果,，與按happens-before關(guān)系來(lái)執(zhí)行的結(jié)果一直,，那么這種重排序是合法的,。（是JMM對(duì)編譯器和處理器重排序的約束原則）

  
  

 as-if-serial語(yǔ)義保證單線程內(nèi)程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變，happens-before關(guān)系保證正確同步的多線程程序的執(zhí)行結(jié)果不被改變,。 

 as-if-serial語(yǔ)義給編寫(xiě)單線程程序的程序員創(chuàng)造了一個(gè)幻境：?jiǎn)尉€程程序是按程序的順序來(lái)執(zhí)行的,。happens-before關(guān)系給編寫(xiě)正確同步的多線程的程序員創(chuàng)造了一個(gè)幻境：正確同步的多線程程程是按happens-before指定的順序來(lái)執(zhí)行的。

happens-before規(guī)則：

• 程序順序規(guī)則：一個(gè)線程中的每個(gè)操作,，happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作,。

• 監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)鎖的解鎖，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)鎖的加鎖,。

• volatile變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)volatile域的寫(xiě),，happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。

• 傳遞性：如果A happens-before B,， 且B happens-before C,， 那么A happens-before C。

• start()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.start(),，那么A線程的ThreadB.start()操作happens-before于線程B中的任意操作,。

• join()規(guī)則：如果線程A執(zhí)行操作ThreadB.join()并成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回,。

  
  

雙重檢查鎖定與延遲初始化

上面?zhèn)未a中2和3可能會(huì)被重排序，這種情況下返回的instance引用可能還沒(méi)有初始化完成,。這個(gè)時(shí)候我們要從兩個(gè)方面解決問(wèn)題：
1.不允許2和3重排序,。
2.允許2和3重排序，但不允許其他線程“看到”這個(gè)重排序,。

基于volatile的解決方案