java多執行緒程式設計(二)

     volatile、synchronized及鎖對比

volatile的使用優化

1、追加位元組能優化效能

如果佇列的頭節點和尾節點都不足64位元組的話，處理器會將他們都讀到同一個快取記憶體行中，在多處理器
下每個處理器都會快取同樣的頭、尾節點，當一個處理器試圖修改頭節點時，會將整個快取行鎖定，會導致其他
處理器不能訪問自己快取記憶體中的尾節點。
通過填充位元組來填滿快取記憶體行，避免頭節點和尾節點載入到同一個快取行，使其在修改時不會互相鎖定。

什麼情況下避免使用這種方法：
快取行非64位元組寬的處理器
共享變數不會頻繁地寫
！在java7下可能不會生效
 

二、synchronized 實現原理與應用：

又稱為重量級鎖：

java中的每一個物件都可以作為鎖：

1、對於普通的同步方法，鎖是當前例項物件

2、對於靜態的同步方法，鎖是當前類的Class物件

3、對於同步方法塊，鎖是Synchonized括號裡配置的物件

從JVM規範中可以看到Synchonized在JVM裡的實現原理，JVM基於進入和退出Moniter物件來實現方法同步和程式碼塊同步

但兩者的實現細節不一樣。

程式碼塊同步是使用monitorenter 和 monitorexit指令實現的；

而方法同步是使用的另外一種方式實現的
monitorenter指令是在編譯後插入到同步程式碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方法結束處和異常處，JVm
要保證每個monitorenter必須與對應的monitorexit配對，當一個monitor被持有後，它將處於鎖定狀態。執行緒執行到
moniterenter指令時，將會嘗試獲取物件所對應的monitor所有權，即嘗試獲取物件的鎖。

2.2.1 Java物件頭

synchronized用的鎖儲存在物件頭中，陣列物件用三個位元組寬儲存物件頭，如果物件是非陣列型別，則用2個位元組寬儲存物件
1個位元組寬等於4位元組即32bit

java物件頭的長度：

32/64bit Mark Word 儲存物件的hashCode或鎖資訊

32/64bit Class Metadata Address 儲存物件型別資料的指標

32/64bit Array length 陣列的長度（如果當前物件是陣列）

Java物件頭裡的Mark Word裡預設·儲存物件的HashCode、分代年齡和鎖位標記。32位JVM的Mark Word的預設儲存結構如下：

鎖狀態：無鎖狀態 25bit：物件的hashCode 4bit：物件分代年齡 1bit是否是偏向鎖：0 2bit：鎖標誌位

Mark Word的狀態變化：

64位虛擬機器下，Mark Word是64bit大小的，其儲存結構如下：

2.2.2鎖的升級與對比：

Java SE 1.6為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的效能消耗，引入了“偏向鎖”和“輕量級鎖”，在
Java SE 1.6中，鎖一共有4種狀態，級別從低到高依次是：無鎖狀態、偏向鎖狀態、輕量級鎖狀
態和重量級鎖狀態，這幾個狀態會隨著競爭情況逐漸升級。鎖可以升級但不能降級，意味著偏
向鎖升級成輕量級鎖後不能降級成偏向鎖。這種鎖升級卻不能降級的策略，目的是為了提高
獲得鎖和釋放鎖的效率，

HotSpot作者認為大多數情況下，鎖不僅不存在多執行緒競爭，而且總是由同
一執行緒多次獲得，為了讓執行緒獲得鎖的代價更低而引入了偏向鎖。

當一個執行緒訪問同步塊並
獲取鎖時，會在物件頭和棧幀中的鎖記錄裡儲存鎖偏向的執行緒ID，以後該執行緒在進入和退出
同步塊時不需要進行CAS操作來加鎖和解鎖，只需簡單地測試一下物件頭的Mark Word裡是否
儲存著指向當前執行緒的偏向鎖。

如果測試成功，表示執行緒已經獲得了鎖。如果測試失敗，則需
要再測試一下Mark Word中偏向鎖的標識是否設定成1（表示當前是偏向鎖）：如果沒有設定，則
使用CAS競爭鎖；如果設定了，則嘗試使用CAS將物件頭的偏向鎖指向當前執行緒。

（1）偏向鎖的撤銷

偏向鎖使用了一種等到競爭出現才釋放鎖的機制，所以當其他執行緒嘗試競爭偏向鎖時，
持有偏向鎖的執行緒才會釋放鎖。偏向鎖的撤銷，需要等待全域性安全點（在這個時間點上沒有正
在執行的位元組碼）。它會首先暫停擁有偏向鎖的執行緒，然後檢查持有偏向鎖的執行緒是否活著，
如果執行緒不處於活動狀態，則將物件頭設定成無鎖狀態；如果執行緒仍然活著，擁有偏向鎖的棧
會被執行，遍歷偏向物件的鎖記錄，棧中的鎖記錄和物件頭的Mark Word要麼重新偏向於其他
執行緒，要麼恢復到無鎖或者標記物件不適合作為偏向鎖，最後喚醒暫停的執行緒。圖2-1中的線
程1演示了偏向鎖初始化的流程，執行緒2演示了偏向鎖撤銷的流程。

（2）關閉偏向鎖

偏向鎖在Java 6和Java 7裡是預設啟用的，但是它在應用程式啟動幾秒鐘之後才啟用，如
有必要可以使用JVM引數來關閉延遲：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你確定應用程
序裡所有的鎖通常情況下處於競爭狀態，可以通過JVM引數關閉偏向鎖：-XX:-
UseBiasedLocking=false，那麼程式預設會進入輕量級鎖狀態。

2.輕量級鎖

（1）輕量級鎖加鎖

執行緒在執行同步塊之前，JVM會先在當前執行緒的棧楨中建立用於儲存鎖記錄的空間，並
將物件頭中的Mark Word複製到鎖記錄中，官方稱為Displaced Mark Word。然後執行緒嘗試使用
CAS將物件頭中的Mark Word替換為指向鎖記錄的指標。如果成功，當前執行緒獲得鎖，如果失
敗，表示其他執行緒競爭鎖，當前執行緒便嘗試使用自旋來獲取鎖。

（2）輕量級鎖解鎖

輕量級解鎖時，會使用原子的CAS操作將Displaced Mark Word替換回到物件頭，如果成
功，則表示沒有競爭發生。如果失敗，表示當前鎖存在競爭，鎖就會膨脹成重量級鎖。圖2-2是
兩個執行緒同時爭奪鎖，導致鎖膨脹的流程圖。

因為自旋會消耗CPU，為了避免無用的自旋（比如獲得鎖的執行緒被阻塞住了），一旦鎖升級
成重量級鎖，就不會再恢復到輕量級鎖狀態。當鎖處於這個狀態下，其他執行緒試圖獲取鎖時，
都會被阻塞住，當持有鎖的執行緒釋放鎖之後會喚醒這些執行緒，被喚醒的執行緒就會進行新一輪
的奪鎖之爭。

什麼是CAS操作
參看如下：
https://blog.csdn.net/qq_37937537/article/details/82798218

3.鎖的優缺點對比

2.3 原子操作的實現原理
原子（atomic）本意是“不能被進一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意
為“不可被中斷的一個或一系列操作”。

在多處理器上實現原子操作就變得有點複雜。