从kernel层面分析synchronized、volatile，进大厂必备硬核小伎俩（上）

2023-05-16

	synchronized、volatile对于java程序员来说再熟悉不过了，但
是你知道这两个关键字底层是如何实现的吗（甚至在操作系层面是
通过什么指令来实现的）？以及与其相关的术语：诸如用户态与内核
态、cas、锁升级、内存一致性协议、内存屏障都是什么，下面我来一
一揭秘。本专题将分为两篇文章进行讲解，此篇主要介绍关于
synchronized和volatile在kernel层面涉及的一些核心概念，下一篇
会详细说明synchronized和volatile实现原理，包括内存屏障、
锁升级过程（偏向、轻量、重量）、重入锁、线程可见性、指令重排等
核心原理，其中也不乏DCL单例是否需要volatile修饰等有趣问题。

用户态和内核态

一般的操作系统对操作指令进行了权限控制，在intel x86 cpu中将级别分为0-3，0为最高执行权限，3为最低执行权限，0和3分别代表内核态和用户态，简单来说就是需要与操作系统，比如操作系统硬件打交道时，就需要调用内核态来完成，而jvm是运行在用户态的，或者说运行在用户空间的。

运行在用户空间的是干活的，权利小，内核空间才是操作系统老大，做
大事需要向内核空间申请权限。

CAS

compare and swap（比较并交换），即有2个线程A和B，同时对int i = N进行加1操作，当线程A将i+1后的结果写入主内存赋值给i前，首先会比较当前主内存中i的值是否为N，如果为N就执行赋值操作，否则有可能是B线程执行了对i的修改操作（如目前i=N+1），A线程就不执行赋值操作，A线程再次从主内存中读取最新的i的值，然后再执行i+1操作，然后再次将结果赋值给i，在赋值之前同样比较当前主内存中的i的值是否为N+1，如果为N+1，就将线程A修改的i的值赋值给i，否则再次执行上述操作，直至修改成功为止。我们可以把这个操作成为自旋操作。

AtomicInteger就是cas的实现：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

也就是最后会调用一个native方法compareAndSwapInt函数。这个方法依次会调用操作系统代码unsafe.cpp，atomic.cpp和atomic_windows_x86.inline.hpp/atomic_linux_x86.inline.hpp：

// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  \
                       __asm je L0      \
                       __asm _emit 0xF0 \
                       __asm L0:

inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  // alternative for InterlockedCompareExchange
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    LOCK_IF_MP(mp)
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

上面的代码就是操作系统级别执行cas操作执行的指令代码，简单来说就是会执行lock_if_mp cmpxchg来完成cas操作的。其中cmpxchg就是执行cas操作的，lock_if_mp是指如果是多核cpu，就将cmpxchg指令进行加锁执行，否则就不加锁。从而可以看出cmpxchg并不是原子操作，需要加lock后才是原子操作，其实锁住的是北桥信号。上面就是cas在操作系统层面的执行原理。

缓存行

上面是最常见的缓存简图。main cache为主内存，L1 cache、L2 cache、L3 cache分别为1级缓存、2级缓存、3级缓存。cahe line为缓存行。那么缓存行是什么？缓存行就是保存了我们需要执行的指令代码，大多数一个缓存行为64个字节，cpu一次也会读取64个字节指令到cpu中进行使用。

下面我们来看一个比较有意思的两段代码片段：
代码片段1：

public class TestCacheLingOne {

    static volatile Long[] l = new Long[2];

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread threadOne = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (long i=0;i<1000_000_000L;i++) {
                    l[0] = 1L;
                }
            }
        };
        Thread threadTwo = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                for (long i=0;i<1000_000_000L;i++) {
                    l[1] = 2L;
                }
            }
        };
        long time = System.currentTimeMillis();
        threadOne.start();
        threadTwo.start();
        threadOne.join();
        threadTwo.join();

        System.out.println((System.currentTimeMillis() - time) /1000d);
    }
}

在这里插入图片描述
代码片段2：

public class TestCacheLineTwo {

   static volatile Long[] l = new Long[9];

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

       Thread threadOne = new Thread(){
           @Override
           public void run() {
               for (long i=0;i<1000_000_000L;i++) {
                   l[0] = 1L;
               }
           }
       };
       Thread threadTwo = new Thread(){
           @Override
           public void run() {
               for (long i=0;i<1000_000_000L;i++) {
                   l[8] = 2L;
               }
           }
       };
       long time = System.currentTimeMillis();
       threadOne.start();
       threadTwo.start();
       threadOne.join();
       threadTwo.join();

       System.out.println((System.currentTimeMillis() - time) /1000d);
   }
}

在这里插入图片描述
上面的两段程序都是2个线程对同一个volatile修饰的Long类型数组进行10亿次值修改操作，那么执行用时差别还是很明显的，这是为什么呢？这是由于cpu读取缓存行字节数和下面我要说的缓存一致性有关，在下一篇内容中会进行具体说明。

缓存一致性协议

其实缓存一致性协议和synchronized、volatile本身没有关系，缓存一致性是操作系统层面的概念。目前一致性协议有MESI、MSI、Dragon等等，我们常说的MESI其实是intnel x86的缓存一致性协议，MESI即：Modified（修改）、Exclusive（独享）、Shared（共享）、Invalid（失效），指的就是缓存行的4种状态。

在这里插入图片描述
上图说明了2个线程对主内存中同一个缓存行的操作过程。

cpu1即线程1，读取主内存中的数据x，将x写入当前线程缓存，缓存行状态为E（共享），同时cpu1监听总线（嗅探）。
此时cpu2即线程2读取主内存中的数据x，此时cpu1监听器发现线程2读取了主内存中的x缓存行，则将cpu1中的x缓存行置为S（共享）
线程2将x缓存行从主内存读取到线程2缓存中，将x缓存行状态置为S（共享），并监听总线。
此时线程1修改了x值，通知总线，此时将线程2中的x缓存行置为I（无效），将线程1中的x缓存行置为E（独享）。
此时线程2如果想操作x，那么需要再次从主内存中读取x缓存行。

CPU指令乱序

cpu指令乱序是指cpu为了提高其执行效率，在操作系统层面会将指令乱序执行（不是按照程序编写顺序执行）。但是这种cpu指令乱序会导致在多线程情况下，产生问题。看如下代码，证明cpu存在乱序执行：

public class Test {

    static int a,b,c,d;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int x = 0;
        for(;;) {
            x++;
            a = 0;
            b = 0;
            c = 0;
            d = 0;

            Thread threadOne = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    a = 1;
                    c = b;
                }
            });
            Thread threadTwo = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    b = 1;
                    d = a;
                }
            });

            threadOne.start();
            threadTwo.start();
            threadOne.join();
            threadTwo.join();

            if (c == 0 && d == 0) {
                System.out.println("执行第" + x + "次，证明cpu是可以乱序执行的");
                break;
            }

        }
    }
}

在这里插入图片描述
如果cpu没有指令乱序执行存在，那么不可能打印出同时满足c=0，d=0，所以说cpu存在乱序问题。

最后

下一篇将接着本篇讲解，会介绍内存屏障问题，及锁升级过程、线程可见性、指令重排等相关技术。如果本篇对你有用，欢迎点赞、关注、转载，由于水平有限，如有问题请留言。

本文内容由网友自发贡献，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容，请联系:hwhale#tublm.com(使用前将#替换为@)