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

Question

我很难理解synchronized 语句和关联的 notify()、notifyAll 的硬件支持是什么() 和 wait() 方法，出现在每个 java 对象上。

我已阅读并知道如何使用此构造，但我一直假设它们直接映射到硬件原语。

当我深入研究有关并发的书籍时，我只读到了硬件直接提供的比较和交换 (CAS) 操作。

似乎这个构造是由 JVM 本身创建/维护的。如果我的理解是正确的，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，如何通过并发访问管理这个状态本身？它肯定必须得到管理，对吗？是 CAS 吗？

如果是 CAS，那就意味着只有一种真正的同步形式，CAS。所有其他的都是衍生品。为什么这个监视器构造与相关联的synchronized、notify()、notifyAll()、wait()鉴于 Atomic 变量(即 CAS)在性能和无等待方面更好而开发的方法？

我知道用户类的 Atomic 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/内部锁。它们是如何实现的？

Answer 1

让 child 安顿下来，这将是一个漫长的过程。

首先不要讨论CAS(Compare A和Swap)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，同时测试该值是否未更改(或者是我们期望的值)。不涉及锁定。尽管它们被一些同步原语(信号量、互斥量)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 会失败，我的意思是它会返回 false。另一个将返回 true，指针 *a 表示的值将更新为新值。如果我们不使用 CAS 而只是更新值，就像这样:

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

在此计算结束时，a 可能是 2 或 3，并且两个线程都将愉快地完成，而不知道 a 中保存了什么值。这就是所谓的数据竞赛，CAS 是解决该问题的一种方法。

CAS的存在让我们可以在java.util.concurrent包中编写一些无锁算法(不需要同步)，比如集合，不需要同步，可以并发访问。

现在我提到了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(如果没有争用 !!!!)并且在发送中您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 与同步相比，您可能会遇到的性能损失来自当您的 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 hibernate 状态。进入上下文切换的兔子洞(这可能会或可能不会发生 :) 取决于操作系统)。

现在是 notify()、notifyAll() 和 wait()。直接调用作为操作系统一部分的线程调度程序。调度器有两个队列等待队列和运行队列。当您在线程上调用等待时，该线程将放置在 wq 中并一直坐在那里，直到它收到通知并放置在 rq 中以便尽快执行。

在 Java 中有两种基本的线程同步，一种通过 (wait(), notify()) 称为协作，另一种通过锁称为互斥 (mutex)。这通常是同时进行思考的平行轨道。

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 header 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成本。这就是为什么如果我们的应用程序有很多未竞争的锁，这可以显着提高我们的性能。因为我们可以避免第二条路:

2. (这可能是旧的)使用 monitorenter/monitorexit。这是字节码指令。它们位于 synchronize {...} 语句的入口和导出处。这是对象标识变得相关的地方。因为它成为锁信息的一部分。

好的，就这样吧。我知道我没有完全回答这个问题。这个主题是如此复杂，如此困难。 《Java 语言规范》第 17 章标题为:“Java 内存模型”可能是唯一不能被普通程序员阅读的内容(也许动态调度也属于该类别:))。我希望至少您能够通过 google 搜索到正确的词。

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 (jvm内部如何优化lock)