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Java多线程同步内部如何实现的

Java多线程


Java多线程同步内部如何实现的

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线程同步可以说在日常开发中是用的很多， 但对于其内部如何实现的，一般人可能知道的并不多 。本篇文章将从如何实现简单的锁开始，介绍linux中的锁实现futex的优点及原理，最后分析JAVA中同步机制如wait/notify, synchronized, ReentrantLock 。
自己实现锁首先，如果要你实现操作系统的锁，该如何实现？先想想这个问题，暂时不考虑性能、可用性等问题，就用最简单、粗暴的方式 。当你心中有个大致的思路后，再接着往下看 。
下文中的代码都是伪代码 。
自旋最容易想到可能是自旋：
volatile int status=0;void lock(){ while(!compareAndSet(0,1)){ } //get lock}void unlock(){ status=0;}boolean compareAndSet(int except,int newValue){ //cas操作,修改status成功则返回true}上面的代码通过自旋和cas来实现一个最简单的锁 。
这样实现的锁显然有个致命的缺点：耗费cpu资源 。没有竞争到锁的线程会一直占用cpu资源进行cas操作，假如一个线程获得锁后要花费10s处理业务逻辑，那另外一个线程就会白白的花费10s的cpu资源 。（假设系统中就只有这两个线程的情况） 。
yield+自旋要解决自旋锁的性能问题必须让竞争锁失败的线程不忙等,而是在获取不到锁的时候能把cpu资源给让出来，说到让cpu资源，你可能想到了yield()方法，看看下面的例子：
volatile int status=0;void lock(){ while(!compareAndSet(0,1)){ yield(); } //get lock}void unlock(){ status=0;}当线程竞争锁失败时，会调用yield方法让出cpu 。需要注意的是该方法只是当前让出cpu，有可能操作系统下次还是选择运行该线程 。其实现是 将当期线程移动到所在优先调度队列的末端（操作系统线程调度了解一下？有时间的话，下次写写这块内容） 。也就是说，如果该线程处于优先级最高的调度队列且该队列只有该线程，那操作系统下次还是运行该线程 。
自旋+yield的方式并没有完全解决问题，当系统只有两个线程竞争锁时，yield是有效的 。但是如果有100个线程竞争锁，当线程1获得锁后，还有99个线程在反复的自旋+yield，线程2调用yield后，操作系统下次运行的可能是线程3；而线程3CAS失败后调用yield后，操作系统下次运行的可能是线程4... 假如运行在单核cpu下，在竞争锁时最差只有1%的cpu利用率，导致获得锁的线程1一直被中断，执行实际业务代码时间变得更长，从而导致锁释放的时间变的更长 。
sleep+自旋你可能从一开始就想到了，当竞争锁失败后，可以将用Thread.sleep将线程休眠，从而不占用cpu资源：
volatile int status=0;void lock(){ while(!compareAndSet(0,1)){ sleep(10); } //get lock}void unlock(){ status=0;}上述方式我们可能见的比较多，通常用于实现上层锁 。该方式不适合用于操作系统级别的锁，因为作为一个底层锁，其sleep时间很难设置 。sleep的时间取决于同步代码块的执行时间，sleep时间如果太短了，会导致线程切换频繁（极端情况和yield方式一样）；sleep时间如果设置的过长，会导致线程不能及时获得锁 。因此没法设置一个通用的sleep值 。就算sleep的值由调用者指定也不能完全解决问题：有的时候调用锁的人也不知道同步块代码会执行多久 。
park+自旋那可不可以在获取不到锁的时候让线程释放cpu资源进行等待，当持有锁的线程释放锁的时候将等待的线程唤起呢？
volatile int status=0;Queue parkQueue;void lock(){ while(!compareAndSet(0,1)){ // lock_wait(); } //get lock}void synchronized unlock(){ lock_notify();}void lock_wait(){ //将当期线程加入到等待队列 parkQueue.add(nowThread); //将当期线程释放cpu releaseCpu();}void lock_notify(){ //得到要唤醒的线程 Thread t=parkList.poll(); //唤醒等待线程 wakeAThread(t);}上面是伪代码，描述这种设计思想，至于释放cpu资源、唤醒等待线程的的具体实现，后文会再说 。这种方案相比于sleep而言，只有在锁被释放的时候，竞争锁的线程才会被唤醒，不会存在过早或过完唤醒的问题 。
小结对于锁冲突不严重的情况，用自旋锁会更适合，试想每个线程获得锁后很短的一段时间内就释放锁，竞争锁的线程只要经历几次自旋运算后就能获得锁，那就没必要等待该线程了，因为等待线程意味着需要进入到内核态进行上下文切换，而上下文切换是有成本的并且还不低，如果锁很快就释放了，那上下文切换的开销将超过自旋 。
目前操作系统中，一般是用自旋+等待结合的形式实现锁：在进入锁时先自旋一定次数，如果还没获得锁再进行等待 。


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