解析自旋锁CAS操作与volatile

volatile关键字

可以阅读这篇文章进行更深入的理解Java内存模型 (opens new window)

• 保证线程可见性
• 禁止指令重排

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保证线程可见性

• volatile 关键字，使一个变量在多个线程间可见
• A B线程都用到一个变量，java默认是A线程中保留一份copy，这样如果B线程修改了该变量，则A线程未必知道
• 使用volatile关键字，会让所有线程都会读到变量的修改值

volatile并不能保证多个线程共同修改running变量时所带来的不一致问题，也就是说volatile不能替代synchronized
volatile修饰引用类型（包括数组）只能保证引用本身的可见性，不能保证内部字段的可见性

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• 保证线程可见性
  • MESI
  • CPU缓存一致性协议

禁止指令重排

和现代CPU有关

• 以前CPU是顺序执行

• 现在为了提高效率，会把指令并发执行（流水线执行）

  • 这样就可能会出现，后面的指令先执行完毕
  • 有必要，经过实际工程验证，速度提高很多

• DCL 单例

• Double Check Lock

• loadfence原语指令

• storefence原语指令

public class DCLSingle {

    private int a = 1;
    private static volatile DCLSingle instance;

    private DCLSingle() {
    }

    public static DCLSingle getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (DCLSingle.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new DCLSingle();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

Object o = new Object(); 编译后的字节码指令

0 new #2 <java/lang/Object>
3 dup
4 invokespecial #1 <java/lang/Object.<init>>
7 astore_1
8 return

• new对象这个过程，编译后字节码指令有三步 (instance = new DCLSingle())
  1. 给对象申请内存，此时a=0
  2. 给成员变量初始化，此时a=1
  3. 内存地址赋值给instance

如果有指令重排序（2、3对调），DCL第一次null判断会获取到没有初始化的对象(即a=0);
所以有必要加volatile，禁止指令重排序

jvm中规定了8种happen-before原则，其它指令都可以重排序
读屏障和写屏障是防止指令重排序用的

synchronized优化

• 同步代码块中的语句越少越好
• 用对象加锁，加final防止对象被修改 final Object o = new Object();
• 不能用String常量、Integer、Long(池化)

CAS(无锁优化 自旋 乐观锁)

AtomicXXX开头的类都是以CAS操作保证线程安全的

• Compare And Set/Swap
• CAS(V, Expected, NewValue)

if(V==E) V = NEW otherwise try again or fail

• CPU原语支持

ABA问题

在进行CAS操作时候，被另一个线程修改，并且又改回去了
0->1->0 对于当前CAS操作线程不变

• 如果基础类型 无所谓
• 如果引用类型
  • 加version
  • A 1.0
  • B 2.0
  • A 3.0

Unsafe(jdk1.8) = c c++的指针

• 直接操作内存
  • allocateMemory putXX freeMemory pageSize
• 直接生成类实例
  • allocateInstance
• 直接操作类或者实例变量
  • objectFieldOffset getInt getObject
• CAS相关操作
  • compareAndSwapObject Int Long
• c -> malloc free
• c++ -> new delete

可见性：CPU缓存一致性协议 MESI
禁止指令重排：JMM模型里有8个指令完成数据的读写，通过其中load和store指令相互组合成的4个内存屏障实现禁止指令重排序

wait notify线程通信(面试高频)