Java并发编程 - volatile, synchronize关键字实现原理

java代码在编译后会变成Java字节码, 字节码被ClassLoader加载到JVM中, JVM执行字节码, 最终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原语

volatile是轻量级的synchronized, 它在多CPU(注意不仅仅是多核)开发中保证了共享变量的可见性.

由于volatile只保证了可见性, 无法保证原子性, 所以比synchronized的执行成本更低, 它不会引起上下文的切换和调度.

volatile实现原理

为加快CPU的处理速度, 它是不直接与内存进行通信, 而是先将系统内存的数据读到CPU内部缓存(L1, L2或其他)后再进行操作, 但操作完全不知道何时会写回内存.

被volatile标注的变量如果被修改了, 会引起一系列的变化:

synchronized原语实现原理与应用

Java中的每一个对象都可以作为锁

JavaSE 1.6中, 锁一共有四种状态, 级别从低到高依次为: 无锁状态, 偏向锁, 轻量级锁, 重量级锁. 当低级的锁机制不适配的时候, 程序会自动将锁升级为高级别的锁.

偏向锁

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制, 所以当其他线程尝试竞争偏向锁时, 持有偏向锁的线程才会释放锁.

轻量级锁

在竞争锁的时候, 不会阻塞, 而是使用’自旋’机制反复尝试获取锁(始终消耗CPU时间片), 直到获取锁.

重量级锁

就是JavaSE 1.6之前的锁机制

锁的优缺点对比

原子操作的实现原理

原子操作的定义是:

不可被中断的一个或者一系列操作

CPU如何实现原子操作

总线锁

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, 那么该处理器可以独占共享内存.

缓存锁

同一时刻, 我们只需要保证对某个内存地址的操作是原子性的即可

Java如何实现原子操作

Java中可以通过锁和循环CAS(Compare and Set)的方式来实现原子操作, 具体的表现形式是内置了一些类来支持原子操作: 如AtomicBoolean, AtomicInteger, AtomicLong等

CAS实现原子操作的问题

循环开销大:

自旋CAS如果长时间不成功, 会给CPU带来非常大的执行开销

只能保证一个共享变量的原子操作

如果一个类有两个以上的field时, 就需要使用锁了.

使用锁机制来实现原子操作

实际上线程操作锁的方式在底层也是使用循环CAS的方式来进行锁的获取和释放的.