《深入理解Java虚拟机》读书笔记--第十三章 线程安全与锁优化

                                              ------------------------每个关节都是武器，浑身上下都是才艺

目录

1.前瞻知识：

1.对象的内存布局与对象头

 3.缓存一致性协议（MESI）

 4.硬件内存模型与编程语言内存模型

《深入理解Java虚拟机》读书笔记--第十二章 Java内存模型与线程_时空恋旅人的博客-CSDN博客 

2.线程安全

         2.1线程安全的实现方法：

2.2为什么说synchronized是一个重量级的操作？

 2.3 RenntrantLock与synchronized的区别？

3.锁优化

   3.1 java 1.6以后是如何优化锁的？

   3.2 monitor对象：

  3.3 synchronized是如何优化的？锁的这四种状态是如何变化的？

---

1.前瞻知识：

1.对象的内存布局与对象头

 1.对象的内存布局

2.MarkWord里面内容

 3.缓存一致性协议（MESI）

    计算机世界的快速发展离不开 CPU、内存和 I/O 设备的高速发展，但是这三者一直存在速度差异性问题，我们可以从存储器的层次结构可以看出 ,  随着摩尔定律的失效，人们需要开发出更高效的软件，他的核心思想是拆分计算机处理的任务发布到多个廉价的CPU上同时执行，这样就能底层本的提高软件执行的效率。当多个任务想要进行读写同一块内存值的时候，难题就出现了。

                   

  单核处理器的缓存结构

  L1大概几十K，L2大概几百K

多核处理器的缓存： 

    

 缓存一致性协议作用的地方：

                      

  缓存的最小存储的单元称为缓存行

  

CPU中每个缓存行使用四种状态进行标记
M：Modified 修改
指的是该缓存行只被缓存在该CPU缓存中，并且是被修改过的，因此他与主存的数据是不一致的，该缓存行中的数据需要在未来的某个时间点（允许其他CPU读取主存相应的内容之前）写回主存，然后状态变成E（独享）。

   

E ：Exclusive 独享
缓存行只被缓存在该CPU的缓存中，是未被修改过的，与主存的数据是一致的，可以在任何时刻当有其他CPU读取该内存时，变成S（共享）状态，当CPU修改缓存行的内容时，变成M（修改）的状态。

     

S ：Share 共享
意味着该缓存行可能被多个CPU进行缓存，并且该缓存中的数据与主存数据是一致的，当有一个CPU修改该缓存行时，其他CPU是可以被作废的，变成I（无效的）。

   

I ：Invalid 无效的

代表这个缓存是无效的，可能是有其他CPU修改了该缓存行。一个无效（Invalid）的缓存行必须从主存中读取（变成Share或者Exclusive状态）来满足该CPU的读请求。

现在我们来模拟一个两核处理器，他的读写操作是怎样的

      假设CPUa去读取一个数据x,那么首先他会检查自己的缓存中是否有这个数据，如果有缓存中那么就要去判断一下他的状态是什么样子的。如果是E,S,M这三个状态，那么都表示他是整个处理器中处于最新的一个值，直接读取就OK了。假设x的状态是I，那么CPUa就要通过总线通知发送一个读的请求，如果其他CPU收到了这个请求并且在缓存中的这个x的状态是E或者S，那么通过总线通知A去获取一下就行了。然后B中x的状态改成S，如果是B中的X是M态，那么B要先把X写到主存中去，然后再分享给A。

     如果CPUa要去写这个数据，那么如果x在缓存中是M或者E，那么这个表示CPU对x是独占的，直接去写就完事儿了。如果x的状态是S，说明其他CPU也有这个变量的拷贝。那么就需要通过总线通知其他的CPUj将自己缓存中的值改为I，如果说状态是I，那么就需要从主内存中去读取，然后改为M，并且通过总线通知其他的CPU都改为I。

 4.硬件内存模型与编程语言内存模型

《深入理解Java虚拟机》读书笔记--第十二章 Java内存模型与线程_时空恋旅人的博客-CSDN博客 

 

2.线程安全

   2.1线程安全的实现方法：

   两个方面，一个是代码编写如何实现线程安全？虚拟机如何实现同步与锁

   互斥同步（临界区，互斥量，信号量都是主要的互斥方式） 这是一种悲观的并发策略，互斥是方法同步是目的，  在Java中最基本的互斥同步手段就是synchronized关键字。

  非阻塞同步 基于冲突检测的一种乐观的并发策略，例如CAS(比较并交换)就是一种乐观并发策略，说他是乐观锁的实现其实不准确，因为他是无锁编程，没有涉及到锁。

  

2.2为什么说synchronized是一个重量级的操作？

    涉及到用户态和内核态的切换，

 2.3 RenntrantLock与synchronized的区别？

   不仅仅功能上RenntrantLock比synchronized更强大，吞吐量RenntrantLock要比synchronized高，即便是在synchronized被优化过后。

2.4 什么是CAS算法？

    CAS指令需要三个操作数，分别是内存位置V，旧的预期值A， 新的预期值B，

     当线程要修改资源对象的值的时候，他会先读取当前资源对象的值存在A中，此时该线程如果得到时间片他就继续修改资源对象的值，修改之前会先根据资源对象的内存地址V找到资源对象的值，然后做一个对比，如果资源对象的值等于旧值A，那么将其更新为新值B。另外一个线程比较失败后会进入一个自旋的状态。

    

      

        CAS为什么要原子性？如何保证CAS的原子性？

当然CAS比较交换的这个动作需要同步的才行，那怎么保证同步呢？加锁吗？当然不是CAS是无锁编程，加锁不是转着转着给转回去了吗？我们来看看，以AtomicInteger为例，他的CAS方法是调用的Unsafe类的方法，而这些方法都是native的，说明他依赖操作系统，而如今的CPU指令中恰好有CAS的指令，具有原子性。

 

2.5什么是ABA问题？

   如果一个变量在初次读取的时候就是A值，并且在准备赋值的时候检查他仍然是A值，它可能在这段时间的值被改成了B，然后又改成了A。

3.锁优化

   3.1 java 1.6以后是如何优化锁的？

   锁优化都是为了解决线程之间更高效的共享数据以及解决竞争问题

   锁也分不同状态，JDK6之前只有两个状态：无锁、有锁（重量级锁），而在JDK6之后对synchronized进行了优化，新增了两种状态，总共就是四个状态：无锁状态、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，其中无锁就是一种状态了。锁的类型和状态在对象头Mark Word中都有记录，在申请锁、锁升级等过程中JVM都需要读取对象的Mark Word数据。

    每一个锁都对应一个monitor对象，在HotSpot虚拟机中它是由ObjectMonitor实现的（C++实现）。每个对象都存在着一个monitor与之关联，对象与其monitor之间的关系有存在多种实现方式，如monitor可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个monitor被某个线程持有后，它便处于锁定状态。

    3.2 monitor对象：

   monitor对象存在于每个Java对象的对象头中(存储的指针的指向)，synchronized锁便是通过这种方式获取锁的，也是为什么Java中任意对象可以作为锁的原因

   ObjectMonitor中有两个队列_WaitSet和_EntryList，用来保存ObjectWaiter对象列表(每个等待锁的线程都会被封装ObjectWaiter对象)，_owner指向持有ObjectMonitor对象的线程，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入_EntryList 集合，当线程获取到对象的monitor 后进入 _Owner 区域并把monitor中的owner变量设置为当前线程同时monitor中的计数器count加1，若线程调用 wait() 方法，将释放当前持有的monitor，owner变量恢复为null，count自减1，同时该线程进入 WaitSe t集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放monitor(锁)并复位变量的值，以便其他线程进入获取monitor(锁)。

       

  

3.3 synchronized是如何优化的？锁的这四种状态是如何变化的？

   无锁：

     首先资源不存在竞争是无锁的，或者以非锁的方式竞争（CAS），这个时候是无锁的状态。

   偏向锁：

     无锁并不能替代有锁的情况，偏向锁的意思就是锁会偏向于第一个获得他的线程，如在在接下来的执行过程中，该锁没有被其他线程获取，则持有偏向锁的线程将永不再进行同步，偏向锁就是在无竞争的情况下把整个同步都消除掉，连CAS操作都不用做了。

     偏向锁的实现：先看对象的对象头的mark word里面的锁标志位是不是01，如果是，则看看是否有偏向，如有偏向，再去读mark word的前23个bit  这就是偏向的线程ID  

  轻量级锁

    当有另外的线程想要获取这个锁的时候，偏向锁的模式宣告结束，会升级成为轻量级锁，

 当锁为轻量级锁的时候，线程对象是如何与锁绑定的呢？当一个线程看到锁标志位为00的时候，就知道他是一个轻量级的锁，这时线程会在自己的虚拟机栈中建立一个Lock Record的空间，用于存放对象头部mark word的拷贝，线程使用CAS去尝试获取锁，一旦获取成功，则就会复制mark word的内容去Lock Record。并且将Lock Record中的owner指针指向该对象。对象mark word中前三十个bit将会生成一个指针指向线程虚拟栈中的Lock Record.

 这个时候这个线程已经获取了这个对象的锁，如果此时另外的线程想要获取这个锁，这个时候他就会进入一个忙循环，也就是自旋等待的时候。自旋锁不会放弃处理器的执行时间

   重量级锁

   如果在自旋状态的线程超过一个，那么锁就会膨胀成重量级锁，那么就需要使用Monitor来对线程进行控制。此时将会完全锁定资源，对线程的管控也最为严格。