深入理解与应用多线程技术( 二 ) _多线程技术

作用：

可见性：当一个线程修改了一个被 volatile 修饰的变量的值，其他线程能够立即看到这个修改，即保证了变量的可见性。
禁止指令重排序： volatile 修饰的变量的读写操作会禁止指令重排序，确保变量的写操作不会被重排序到其它操作之前。

原理：
volatile 的实现原理涉及到 CPU 的缓存一致性和内存屏障（Memory Barrier）的概念。

内存可见性：当一个线程写入一个 volatile 变量时，会强制将该线程对应的本地内存中的值刷新到主内存中，从而保证了其他线程能够看到最新的值。同样，当一个线程读取一个 volatile 变量时，会强制从主内存中读取最新的值到本地内存中。
禁止指令重排序： volatile 修饰的变量的读写操作会在其前后插入内存屏障，防止在其前后的指令被重排序。

synchronized 的实现原理以及锁优化如果synchronized作用于代码块，反编译可以看到两个指令：monitorenter、monitorexit，JVM使用monitorenter和monitorexit两个指令实现同步；如果作用synchronized作用于方法,反编译可以看到ACCSYNCHRONIZED标记，JVM通过在方法访问标识符(flags)中加入ACCSYNCHRONIZED来实现同步功能。

同步代码块，当线程执行到monitorenter的时候要先获得monitor锁，才能执行后面的方法。当线程执行到monitorexit的时候则要释放锁。
同步方法，当线程执行有ACCSYNCHRONI标志的方法，需要获得monitor锁。每个对象都与一个monitor相关联，线程可以占有或者释放monitor 。

monitor监视器操作系统的管程（monitors）是概念原理，ObjectMonitor是它的原理实现。

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在JAVA虚拟机（HotSpot）中，Monitor（管程）是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下：

ObjectMonitor() {_header= NULL;_count= 0; // 记录个数_waiters= 0,_recursions= 0;_object= NULL;_owner= NULL;_WaitSet= NULL;// 处于wait状态的线程，会被加入到_WaitSet_WaitSetLock= 0 ;_Responsible= NULL ;_succ= NULL ;_cxq= NULL ;FreeNext= NULL ;_EntryList= NULL ;// 处于等待锁block状态的线程，会被加入到该列表_SpinFreq= 0 ;_SpinClock= 0 ;OwnerIsThread = 0 ;}

Java Monitor 的工作机理

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要获取monitor的线程,首先会进入EntryList队列。
当某个线程获取到对象的monitor后,进入Owner区域，设置为当前线程,同时计数器count加1 。
如果线程调用了wait()方法，则会进入WaitSet队列阻塞等待。它会释放monitor锁，即将owner赋值为null,count自减1 。
如果其他线程调用 notify()/notifyAll() ，会唤醒WaitSet中的某个或全部线程，该线程再次尝试获取monitor锁，成功即进入Owner区域。
同步方法执行完毕了，线程退出临界区，会将monitor的owner设为null，并释放监视锁

对象与monitor关联

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在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header），实例数据（Instance Data）和对象填充（Padding）。
对象头主要包括两部分数据：Mark word（标记字段）、Class Pointer（类型指针）。

Mark Word 是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等。

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重量级锁，指向互斥量的指针。其实synchronized是重量级锁，也就是说Synchronized的对象锁，Mark Word锁标识位为10 ，其中指针指向的是Monitor对象的起始地址。

在JDK1.6之前，synchronized的实现直接调用ObjectMonitor的enter和exit ，这种锁被称之为重量级锁。从JDK6开始， HotSpot虚拟机开发团队对Java中的锁进行优化，如增加了适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等优化策略，提升了synchronized的性能。