本文目的：
当个记录吧，对之前的知识点进行整理，系统概念化理解

并发和并行的关系

• 并发：一个处理器的情况下的多个任务处理，单处理器通过不断切换cpu时间片来使得多 个任务的处理看起来是同时进行的
• 并行：一个以上的处理器同时处理多个多个任务，并行是并发的一个特例

并发所引发的问题：

计算机并发模型.png

• 计算机并发模型中竞争更新数据导致的缓冲一致性问题，所以处理器访问内存时需遵循缓存一致性协议

JVM虚拟机并发模型

image.png

• java线程-工作内存-save/load操作-主内存
• java虚拟机并发的问题就是要解决好线程，工作内存和主内存之间的关系
• jvm虚拟机定义八种操作
  lock（锁定）：作用于主内存的变量，把变量标识为一条线程独占
  unlock（解锁）：作用于主内存的变量，将一个锁定状态的变量释放出来，之后变量可被其他线程所锁定
  read（读取）：作用于主内存的变量，把变量的值从主内存传输到工作内存中，以便后续load使用
  load（载入）：作用于工作内存的变量，把read操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中
  user（使用）：作用于工作内存的变量，将工作内存中的一个变量值交给执行引擎，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令是执行这个操作
  assign（赋值）：作用于工作内存的变量，把一个从执行引擎收到的值赋值给工作内存的变量，每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作
  store（存储）：作用于工作内存的变量，把一个工作内存的变量值传送到主内存中，以便后续write操作使用
  write（写入）：作用于主内存的变量，把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中
• 基本操作原则：
  read与load，store与write需顺序执行，而非强制连续执行，2组操作的其中一个执令不允许单独出现
  不允许线程丢弃最近的assign操作，即工作内存改变之后也必须同步回主内存
  同步数据到主内存需进行assign操作
  一个新的变量只能在主内存中诞生
  一个变量同时只能被一个线程lock，但同一线程可以对该变量进行多次lock，之后需执行同等unlock次数操作才能被解锁（可重入锁）
  对于变量执行unlock之前，必须把变量同步回主内存

线程并发的核心：

• 原子性，指一个操作正在在某个线程执行，该操作不会被其他线程打算，除了lock，unlock其他操作均为原子性
• 有序性，计算机中，处理器可能对输入的代码进行乱序执行，java虚拟机的即时编译器也有类的指令重排序，该关键字可保证防止指令重排序
• 可见性，一个线程对变量的修改，其他线程能够立刻得知这个修改

关于volatile

• 保证可见性的原理，java规定某个线程要访问volatile修饰的变量，每次执行use操作前都要load和read，这样就可以保证访问到最新的值，每次assign后，都需要立刻执行store和write把修改后的值同步回主内存中
• 保证有序性的原理，两条线程A，B,线程a先于线程b对volatile修饰的变量进行- user或assign操作，那么对于线程a的read或write也要先于线程b
• 先行发生原则

线程安全的实现方式

• 互斥同步（synchronized和reetrantLock）

synchronized关键字，该关键字修饰的对象经过编译后，会在代码块前后分别形成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，执行monitorenter前，会去尝试获取该对象的锁，该对象没锁或者已被当前线程所持有，则锁的计数器+1，相应地exit-1
可重入锁，持有锁的线程在没执行完之前，其他线程会被阻塞，线程的阻塞和唤醒需要系统进行用户态和内核态的转换，进而消耗性能
reetrantlock，相对synchronized高级，等待可中断，可实现公平锁，锁可以绑定多个条件

• 非阻塞同步（cas方式）

CAS,compare-and-swap，该指令需要三个参数，一是内存地址，二是该内存中的旧值，三是要替换的新值。java提供的原子包装类实现了该执行，cas会出现aba问题，大多数情况下aba并不影响程序并发的正确性，如需避免可使用AtomicStampedReference类

关于CAS(V,O,N)

• V是指向要比较的值的内存地址，O是预期的内存地址中的值，N是将要更新的新值
• 属于乐观锁策略，即假设所有线程访问共享资源都不会出现冲突，不冲突的情况下，不阻塞其他线程，通过比较交换值的原理来操作数据，判别是否冲突，冲突则重试直至没有冲突为止。
• 涉及ABA问题，不过一般情况下不影响业务代码的逻辑，如需解决可需使用（AtomicStampedReference类）解决问题

java对象头

image.png

• 对象包括：对象头，实例数据，填充字节
• 对象头：mark word，klass word（指向对象锁所属类的元数据），数组长度（数组对象时才有该部分），64位机器，mark word（64bit），klass word（64bit）
• 锁可以升级但是不能降级，同一时刻只能表示一种状态，每种状态都有一个共同的信息：lock（2bit）
• 查看对象头方式（导包在 https://repo.maven.apache.org/maven2/org/openjdk/jol/jol-cli/0.9/ 下载jol-cli-0.9-full.jar）
• 锁升级过程：无锁-偏向锁-轻量级锁-重量级锁

自旋锁

• 自旋锁，避免线程互斥同步影响性能，如果有一个以上的处理器，能让两个及以上的线程能够并行执行，可让后面的进程进行等候，不放弃cpu的执行时间，看看持有锁的对象是否能很快释放锁，此时让等待的线程忙循环，自旋次数默认是10次，
• 自适应自旋锁，基本同自旋锁，相对于自旋锁更智能，根据前一次同个锁的自旋时间和锁的拥有者的状态决定，对很少成功获取过的锁，以后将可能省略自旋过程，进而避免浪费资源。
• 锁消除，虚拟机即时编译器在运行时，对代码进行同步要求，但实际上检测到不可能存在共享数据竞争的问题，进而将锁去除，依据逃逸分析，例子如方法内的stringbuilder的append操作

轻量级锁

• 由于使用重量级锁的线程的挂起/唤醒操作需要CPU切换上下文，此过程代价较大，轻量级锁相对于重量级锁的优势
  1.每次加锁只需cas
  2.不需要分配objectmonitor对象，只需要修改对象头markword？
  3.线程无需挂起与唤醒
• hotspt虚拟机对象头（包含存储对象自身运行时的数据mark word，存储指向方法区对象类型数据的指针）通过cas操作加锁解锁，轻量级锁适用于竞争少的情况

拷贝mark word到header中，obj指向mark word（对象头），mark word锁记录指针指向lock record
撤销锁真的释放锁，cas释放

偏向锁

• 由于轻量级锁每次使用都需要进行一次cas，相对来说还是有点浪费性能，偏向锁则是当锁偏向于线程时，该线程再次获取锁无需cas操作，就可以获取锁，在无竞争的情况下把互斥量的同步消除，提高效率。
• 偏向锁获取不成功时，在升级轻量级锁之前，需将锁变为无锁状态，此为偏向锁的撤销过程。
• 分为安全点撤出和非安全点撤出，等安全点撤出比较低效，引入批量重偏向，批量撤销，通过设定对象撤销次数的阈值，优化对象后续加锁的方案
• 偏向锁在jvm启动后没有立刻开启，而是延迟4s开启
• 对象一旦开启为偏向锁，则后续默认为偏向锁

• 偏向锁状态时Lock Record与对象头关系：

  
  
  image.png
• 线程将自身id写入mark word后表示线程获取了偏向锁，_obj指向mark word,mark word指向线程id
• lock record存在于线程私有的栈帧中

在不安全点使用cas修改mark word为无锁状态，若无法撤销则考虑在安全点撤销
批量重偏向？
批量撤销？对偏向锁性能的优化，多次撤销影响效率
撤销次数达到20次，触发重偏向逻辑，通过修改mark word中epoch值，
撤销次数达到40次，触发重偏向逻辑，通过修改klass里偏向锁标记值，线程允许直接cas修改为无锁状态
偏向锁的重入计数依靠线程栈里lock record个数

偏向锁 轻量级锁 重量级锁异同：

header只是轻量级锁用到，obj都会用到
偏向锁和轻量级锁锁的是mark word，重量级锁锁的是objectMonitor，
偏向锁和轻量级锁依靠lock record个数来记录重入次数，重量级锁通过objectMonitor的recursions变量记录
偏向锁和轻量级锁的可重入只需简单判断，重量级锁需要cas判断

重量级锁

• 线程不断重试加锁，实在不行则放置到等待队列等待唤醒
• 偏向锁和轻量级锁锁的是 mark word，重量级锁锁的是object monitor

线程monitor对象竞争锁流转图

image.png

• cxq(collectionList)：竞争队列，所以请求锁的线程都会先放到这个队列中（单向）

• entryList：cxq队列中有资格成为候选资源的线程会被移动到该队列中
  -waitSet：调用wait方法的线程会转移到该队列

• OnDeck：任何时刻最多只能有一个线程在竞争锁，该线程称为OnDeck

• Owner：获取到锁的线程称为owner

• 每个等待锁的线程都会封装成objectMonitor对象，保存当前线程状态等数据

• object.wait()的调用主要做的事情
  1.封装节点并加入等待队列
  2.释放锁并唤醒同步队列里的线程
  3.挂起自己
  4.被唤醒后继续竞争锁

• 从等待队列到同步队列的默认策略：
  1.如果entryList为空，则加入节点到entryList队列头部
  2.否则将节点加入到cxq队列头部

notify与notifyAll

• 整体流程如下

  
  
  image.png
• object.notify()做的事情：
  将节点从等待队列里一处并加入到同步队列
  notify操作并没有释放锁
• 唤醒策略：
  若entryList不为空，则取出entryList队头并唤醒
  若entryList为空，则将entryList指向cxq，并取出队头节点唤醒
  之所以说notify唤醒是随机的，是因为线程从等待队列出来后，不一定在同步队列的第一个，也就是获取锁的下一个线程不一定是它。
• notifyAll做的事情：
  直接将节点插入到cxq队列的头部

互斥：多个线程不能同时访问临界区，多个线程互斥访问临界区可实现操作的原子性
同步：在互斥的基础上增加等待-通知机制，实现对互斥资源的有序访问

参考链接：

白话Java锁--synchronized关键字_我在青青草原抓羊的博客-CSDN博客
synchronized优化_sifanchao的博客-CSDN博客_synchronized优化
Java Synchronized 偏向锁/轻量级锁/重量级锁的演变过程 - 简书 (jianshu.com)