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java - Java 中的同步构造是否在内部（并且以某种方式）使用硬件原语 CAS 操作？

问题描述

我很难理解每个 java 对象上存在的语句和相关方法的硬件支持是什么。synchronizednotify()notifyAll()wait()

我已经阅读并知道如何使用这种结构，但我一直认为它们直接映射到硬件原语。

当我进一步研究有关并发的书籍时，我只阅读了硬件直接提供的比较和交换 (CAS) 操作。

似乎这种结构是由 JVM 本身创建/维护的。如果我的阅读是正确的，那么每个对象都包含一些状态，其中包含有关访问它的线程的信息。这用于定义该对象的监视器并协调多个线程对该对象的访问。
但如果是这样的话，这个状态本身是如何从并发访问中管理的？它肯定必须得到管理，对吗？是 CAS 吗？

如果是 CAS，则意味着只有一种真正的同步形式，即 CAS。其他都是衍生品。既然原子变量（即 CAS）在性能方面更好并且无需等待，为什么还要开发具有相关、、、、方法synchronized的监视器构造？notify()notifyAll()wait()

我知道用户类的原子变量只出现在 Java 5.0 左右之后，但在此之前 Java 已经有了这个监视器/内在锁。它们是如何实施的？

标签： javascalaconcurrencysynchronizationjava-memory-model

解决方案

安顿在孩子们身上，这将是一个漫长的过程。

首先避免讨论CAS（比较A nd S wap）这不是同步机制。这是一个原子操作，允许我们更新主内存中的值，同时测试该值是否没有改变（或者我们期望它是什么）。不涉及锁定。尽管它们被一些同步原语（信号量、互斥锁）使用。让我们看看下面的例子：

              a = 1;
--------------------------------
     Thread 1   |  Thread 2 
    b = 1 + a   |   b = 2 + a
 cas(*a, 1, b ) | cas(*a, 1, b )

现在其中一个 CAS-es 将失败，我的意思是它将返回 false。另一个将返回 true，并且指针 *a 表示的值将更新为新值。如果我们不使用 CAS 而是只更新值，如下所示：

              a = 1;
--------------------------------
     Thread 1   |  Thread 2 
    b = 1 + a   |   b = 2 + a
      a = b     |     a = b

在这个计算结束时，a 可能是 2 或 3，两个线程都会很高兴地完成，不知道 a 中保存了什么值。这就是所谓的数据竞争，而 CAS 是解决这个问题的一种方法。

CAS 的存在使我们能够编写一些无锁算法（不需要同步），例如 java.util.concurrent 包中的集合，不需要同步，可以并发访问。

现在我提到CAS是用来实现同步的。这就是为什么获取锁和执行 CAS 的成本几乎相同的原因（如果没有争用！！！！）并且在那个发送中，您可以获得同步关键字的硬件支持。

synchronized(this){ 
     n = n + 1; 
}

AtomicLong al = new AtomicLong();
al.updateAndGet( n -> n + 1)

使用 CAS 与同步时您可能会受到的性能影响来自当您的 CAS 失败时，您可以重试，而使用同步可能会导致线程进入操作系统。进入上下文切换的兔子洞（可能会发生也可能不会发生:)，具体取决于操作系统）。

现在为notify(), notifyAll() and wait(). 直接调用作为操作系统一部分的线程调度程序。调度程序有两个队列Wait Queue和Run Queue。当您在线程上调用等待时，该线程将被放置在 wq 中并坐在那里，直到它得到通知并放置在 rq 中以便尽快执行。

在 Java 中有两种基本的线程同步方式，一种是通过 (wait(), notify()) 称为协作，另一种是通过锁称为互斥(mutex)。这通常是平行的轨道来做一次思考。

现在我不知道在 Java 5 之前同步是如何完成的。但是现在您有两种使用对象进行同步的方法（一种可能是旧的，另一种可能是新的）。

  1. 偏向锁。线程 id 放在对象头中，然后当同一个特定线程想要锁定时，解锁该对象，该操作不会花费我们任何费用。这就是为什么如果我们的应用程序有很多非竞争锁，这会给我们带来显着的性能提升。因为我们可以避免第二条路径：

  2. （这可能是旧的）使用monitorenter/monitorexit. 这是字节码指令。这被放置在synchronize {...}语句的进入和退出上。这是对象身份变得相关的地方。因为它成为锁定信息的一部分。

好的，就是它。我知道我没有完全回答这个问题。这个题目太复杂太难了。“Java 语言规范”中的第 17 章标题为：“Java 内存模型”可能是唯一一个普通程序员无法阅读的内容（也许动态调度也属于该类别:)）。我希望至少你能用谷歌搜索正确的单词。

几个链接： https ://www.artima.com/insidejvm/ed2/threadsynchP.html （monitorenter/monitorexit，解释）

https://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp10185/index.html（如何在jvm内部优化锁）

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