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文章目录

• • Unsafe
  • LockSupport
  • CAS机制

JAVA里面进行多线程通信的主要方式就是 共享内存 的方式，共享内存主要的关注点有两个：可见性 和 有序性。加上复合操作的 原子性，可以认为JAVA的线程安全性问题主要关注点有3个（JAVA内存模型JMM解决了可见性和有序性的问题，而锁解决了原子性的问题）：可见性、有序性、原子性

• 原子性（Atomicity）：在Java中原子性指的是一个或多个操作要么全部执行成功要么全部执行失败
• 有序性（Ordering）：程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行（处理器可能会对指令进行重排序）
• 可见性（Visibility）：指在多线程环境下，当一个线程修改了某一个共享变量的值，其它线程能够立刻知道这个修改

① 重排序

指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段。从JAVA源码到最终实际执行的指令序列，会经历下面3种重排序（主要流程）：

指令重排序分类

• 编译器优化的重排序：编译器在不改变单线程程序语义的前提下，可以重新安排语句的执行顺序;
• 指令级并行的重排序：现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性，处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序;
• 内存系统的重排序：由于处理器使用缓存和读/写缓冲区，这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行的。

② 顺序一致性

顺序一致性内存模型是一个理论参考模型，在设计的时候，处理器的内存模型和编程语言的内存模型都会以顺序一致性内存模型作为参照。顺序一致性特征如下：

• 一个线程中的所有操作必须按照程序的顺序来执行
• （不管程序是否同步）所有线程都只能看到一个单一的操作执行顺序。在顺序一致性的内存模型中，每个操作必须原子执行并且立刻对所有线程可见

Unsafe

Java不能直接访问操作系统底层，而是通过本地方法来访问。Unsafe类提供了硬件级别的原子操作，主要提供以下功能：

• 通过Unsafe类可以分配内存，可以释放内存

  类中提供的3个本地方法allocateMemory(申请)、reallocateMemory(扩展)、freeMemory(销毁)分别用于分配内存，扩充内存和释放内存，与C语言中的3个方法对应。

• 可以定位对象某字段的内存位置，也可以修改对象的字段值，即使它是私有的

  • 字段的定位
  • 数组元素定位

• 挂起与恢复

  将一个线程进行挂起是通过park方法实现的，调用 park后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中，LockSupport类中有各种版本pack方法，但最终都调用了Unsafe.park()方法。

• CAS操作

  通过compareAndSwapXXX方法实现的

LockSupport

LockSupport 和 CAS 是Java并发包中很多并发工具控制机制的基础，它们底层其实都是依赖Unsafe实现。LockSupport 提供park()和unpark()方法实现阻塞线程和解除线程阻塞。

LockSupport和每个使用它的线程都与一个许可(permit)关联。permit相当于1，0的开关，默认是0，调用一次unpark就加1变成1，调用一次park会消费permit, 也就是将1变成0，同时park立即返回。再次调用park会变成block（因为permit为0了，会阻塞在这里，直到permit变为1）, 这时调用unpark会把permit置为1。每个线程都有一个相关的permit, permit最多只有一个，重复调用unpark也不会积累。

park()和unpark()不会有 Thread.suspend 和 Thread.resume 所可能引发的死锁问题，由于许可的存在，调用 park 的线程和另一个试图将其 unpark 的线程之间的竞争将保持活性。

CAS机制

CAS(Compare And Swap，即比较并交换)，是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制。其原理是利用sun.misc.Unsafe.java 类通过JNI来调用硬件级别的原子操作来实现CAS(即CAS是借助C来调用CPU底层指令实现的)。

CAS机制=比较并交换+乐观锁机制+锁自旋

设计思想：如果内存位置 的值与 预期原值 相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，否则处理器不做任何操作。

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 都是基于 AbstractQueuedSynchronizer (AQS)，而 AQS 又是基于 CAS。CAS 的全称是 Compare And Swap（比较与交换），它是一种无锁算法。synchronized和Lock都采用了悲观锁的机制，而CAS是一种乐观锁的实现。乐观锁的原理就是每次不加锁去执行某项操作，如果发生冲突则失败并重试，直到成功为止，其实本质上不算锁，所以很多地方也称之为自旋。乐观锁用到的主要机制就是CAS（Compare And Swap）。

CAS特性

• 通过JNI借助C来调用CPU底层指令实现
• 非阻塞算法
• 非独占锁

CAS缺陷

• ABA问题：X线程读到为A；Y线程立刻改为B，又改为A；X线程发现值还是A，此时CAS比较值相等，自旋成功
  • 使用数据乐观锁的方式给它加一个版本号或者时间戳，如使用 AtomicStampedReference 解决
• 自旋消耗资源：多个线程争夺同一个资源时，如果自旋一直不成功，将会一直占用CPU
  • 破坏掉死循环，当超过一定时间或者一定次数时，return退出
• 只能保证一个共享变量的原子操作
  • 可以加锁来解决
  • 封装成对象类解决，如使用 AtomicReference 解决