并发编程笔记2

synchronized与volatile的区别

synchronized

• 保证读写操作的原子性和可见性，通过锁机制实现线程安全
• 可修饰方法（静态/非静态）或代码块
• 非静态方法锁为对象锁，静态方法锁为类锁
• 锁升级过程：无竞争时偏向锁 → 竞争时轻量级锁 → 持续竞争升级为重量级锁（不可逆）

volatile

• 仅保证可见性和禁止指令重排序，不保证原子性
• 只能修饰变量
• 底层通过Lock前缀指令强制缓存回写，并触发MESI协议使其他处理器缓存失效

---

内存模型与线程交互

JVM内存区域

• 方法区：存储类信息、静态变量（JDK 8后由元空间替代）
• 堆：存储对象实例，多线程共享
• 栈：存储方法调用帧与局部变量，线程私有

多线程数据访问

• 共享堆内存变量需通过同步机制（如synchronized）保证安全
• 每个线程拥有独立的工作内存（缓存），volatile强制数据刷新到主内存

---

volatile实现原理

硬件级机制

1. Lock前缀指令

   • 触发处理器缓存回写到主内存
   • 现代CPU通过缓存锁定（非总线锁定）实现高效独占

2. 缓存一致性协议（MESI）

   • 监听总线操作，发现共享变量被修改时使本地缓存失效
   • 下次读取时强制从主内存重新加载

局限性

• 无法解决写后读的竞态条件（如i++需配合synchronized或原子类）

---

锁的优化与问题

synchronized锁升级

• 偏向锁：单线程无竞争时直接获取
• 轻量级锁：竞争轻微时通过CAS自旋尝试
• 重量级锁：竞争激烈时线程阻塞，依赖操作系统互斥量

锁的副作用

• 重量级锁导致上下文切换开销
• 非静态方法锁影响同一实例的其他同步方法
• 静态方法锁影响整个类的同步方法

---

原子类与CAS问题

Java原子类

• AtomicInteger、AtomicReference等基于CAS实现
• 适用场景：计数器、状态标志等轻量级同步

CAS三大问题

1. ABA问题
   • 解决方案：使用版本号（如AtomicStampedReference）
2. 循环时间长开销大
   • 自旋CAS可能消耗CPU资源
3. 只能保证单个变量原子性
   • 复合操作需借助锁或AtomicReference

---

指令重排序与并行机制

流水线并行

• CPU将指令拆分为多个阶段（取指、译码、执行等）
• 不同指令的阶段可并行执行以提高吞吐量

重排序规则

• 编译器/处理器在不改变单线程语义的前提下优化指令顺序
• 数据依赖性（如写后读）会阻止重排序

内存屏障

• volatile通过插入屏障禁止特定重排序
• 确保修改对其他线程立即可见