Java中的同步构造是否在内部(并以某种方式)使用硬件原语CAS操作？

Question

我很难理解硬件支持用于synchronized语句和相关的notify()、notifyAll()和wait()方法，这些方法存在于每个java对象上。

我已经阅读并知道如何使用这些构造，但我总是假设它们被直接映射到硬件原语。

在深入研究有关并发性的书籍时，我只阅读了由硬件直接提供的比较和交换(CAS)操作。

这个构造似乎是由JVM本身创建/维护的。如果我的读取是正确的，那么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。它用于定义该对象的监视器，并协调对该对象的多个线程的访问。

但是如果是这样的话，这个状态本身是如何通过并发访问来管理的呢？这肯定是必须管理的，对吧？和CAS在一起吗？

如果是CAS，这意味着只有一种真正的同步形式，CAS。其他的都是衍生产品。那么，为什么这个监视器构造与相关的synchronized、notify()、notifyAll()、wait()方法相关联，因为原子变量(即CAS)在性能上更好，并且没有等待？

我知道用户类的原子变量只出现在Java5.0之后，但在此之前，这种监视/内部锁已经出现了。它们是如何实施的？

Answer 1

在孩子里安顿下来，这将是一个漫长的过程。

首先，为了避免讨论CAS (Compare Aa Swap)，这不是一种同步机制。这是一个原子操作，允许我们更新主内存中的值，同时测试该值是否没有改变(或者是我们预期的那样)。不涉及锁定。虽然它们被一些同步原语(信号量、互斥量)所使用。请看一下下面的示例：

              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将失败，我的意思是它将返回假。另一个将返回true，指针*a所代表的值将用新值更新。如果我们不使用CAS，而只是更新了值，如下所示：

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

在计算结束时，a可以是2或3，两个线程都会很高兴地完成，不知道在a中保存了什么值。这就是所谓的数据竞赛，CAS就是解决这个问题的一种方法。

CAS的存在使我们能够编写一些无锁算法(不需要同步)，比如java.util.concurrent包中的集合，这些算法不需要同步，可以并发访问。

现在我提到了CAS用于实现同步。这就是为什么获取一个锁并执行CAS的成本几乎是相同的(如果没有争用！)在这个发送中，您可以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)

在使用CAS vs synchronize时，性能可能会受到影响，因为当CAS失败时，您可以重试，而使用synchronize可能会导致线程进入睡眠状态。进入上下文开关的兔子洞(可能发生或不发生:)取决于操作系统。

现在是notify(), notifyAll() and wait()。直接调用作为操作系统一部分的线程调度程序。调度程序有两个队列：等待队列和运行队列。当您调用线程上的等待时，该线程被放置在wq中，并处于那里，直到它得到通知并放置在rq中，以便尽快执行。

在Java中，有两个基本的线程同步--一个是via (wait() )，notify()称为协作，另一个是称为互斥 (mutex)的通入锁。而这通常是平行的轨道，要立即思考。

现在我不知道在Java 5之前是如何实现同步的，但是现在有两种方法来使用对象进行同步(其中一种可能是旧的，另一种是新的)。

1. 偏锁。线程id被放入对象标头中，然后当相同的特定线程想要锁定时，解锁操作不需要花费我们的任何代价。这就是为什么如果我们的应用程序有很多没有竞争的锁，这可以给我们带来显著的性能提升。因为我们可以避免第二条路径：
2. (这可能是旧的)使用monitorenter/monitorexit。这是字节码指令。它放在synchronize {...}语句的入口和出口处。这就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。我知道我没有完全回答这个问题。这门课既复杂又难。"Java语言规范“中题为："Java内存模型”的第17章可能是普通程序员唯一不能阅读的章节(可能动态分派也属于该类别：)。我的希望是，至少你能谷歌正确的词。

几个链接：https://www.artima.com/insidejvm/ed2/threadsynchP.html (监控中心/监视器，解释)

https://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp10185/index.html (如何在jvm中优化锁)