多线程基本概念

进程与线程

进程（Process）是计算机中的程序关于某数据集合上的一次运行活动，是系统进行资源分配和调度的基本单位。在早期面向进程设计的计算机结构中，进程是程序的基本执行实体；在当代面向线程设计的计算机结构中，进程是线程的容器。
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并行与并发

并行：在同一时刻一个进程的一条指令执行，只是由于多个进程被快速轮转，使得在宏观上好像是多个进程同时进行。
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并行：在同一时刻内多个进程的多条指令在多个处理器上同时执行，这种情况下才是多个进程真正同时进行。

并发可以在多处理器和单处理器中存在，而并行只能在单处理器中存在。

线程上下文与开销

在多道程序算法下，既多核CPU，CPU的一个核心在任意时刻只能被一个线程使用，根据CPU的RR（Round-Robin）调度算法，CPU会为每个线程分配时间片，当时间片执行完后就会去执行其他线程，在这个切换的过程中，CPU需要保存当前任务的状态后再去执行其他任务，这个过程就是上下文切换（thread context switch），上下文切换是操作系统内核优化的一个关键参数指标。在任务间发生切换需要花费大量的时间用于处理诸如：保存和恢复寄存器和内存页表、更新内核相关数据结构等操作。上下文切换通常是计算密集型的，也就是说，它需要相当可观的处理器时间，在每秒几十上百次的切换中，每次切换都需要纳秒量级的时间。所以，上下文切换对系统来说意味着消耗大量的CPU时间。

在操作系统上的体现

操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的权限。为了避免用户进程直接操作内核，保证内核安全，操作系统将虚拟内存划分为两部分，一部分是内核空间（Kernel-space），一部分是用户空间（User-space）。在 Linux 系统中，内核模块运行在内核空间，对应的进程处于内核态；而用户程序运行在用户空间，对应的进程处于用户态。
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内核态可以执行任意命令，调用系统的一切资源，而用户态只能执行简单的运算，不能直接调用系统资源。用户态必须通过系统接口（System Call），才能向内核发出指令。比如，当用户进程启动一个 bash 时，它会通过 getpid() 对内核的 pid 服务发起系统调用，获取当前用户进程的 ID；当用户进程通过 cat 命令查看主机配置时，它会对内核的文件子系统发起系统调用。
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互斥锁的开销主要在内核态与用户态的切换：

申请锁时，从用户态进入内核态，申请到后从内核态返回用户态（两次切换）；没有申请到时阻塞睡眠在内核态。使用完资源后释放锁，从用户态进入内核态，唤醒阻塞等待锁的进程，返回用户态（又两次切换）；被唤醒进程在内核态申请到锁，返回用户态（可能其他申请锁的进程又要阻塞）。所以，使用一次锁，包括申请，持有到释放，当前进程要进行四次用户态与内核态的切换。同时，其他竞争锁的进程在这个过程中也要进行一次切换。进程上下文切换的直接消耗包括CPU寄存器保存和加载，需要调度时有内核调度代码的执行。

在JVM中对同优先级的采用RR调度算法，且高优先级的可以抢占。

Monitor

对象头

object header分为mark word，Klass word两个字段，其中klass word就是指明对象的类型。
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mark word中可以分为5种：

normal状态：hashcode，age用于jvm中，biased_lock偏向锁标志位，最后两位就是status位，normal的status为01，表示没有于任何锁关联。001
baised状态：101
lightweight locked状态：舍去了hashcode等字段，变为指向lock record的指针，00。
heavyweight locked状态：同理，指向重量级锁的指针，10。
gc：垃圾回收，11。

重量级锁

synchronized

java每个对象都可以关联一个Monitor对象，如果使用sychronized加锁，对象头中的mark word就被指向了monitor对象的指针，monitor又是依赖操作系统的mutexlock，这种锁就叫重量级锁，或者悲观锁，阻塞同步。
其中这个对象obj的mark word就会从normal变为heavyweight locked状态，状态从01变为10，指针指向monitor，而thread2也就会变为这个monitor的owner。
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sychronized采用互斥的方式让同一时间内只有一个线程能有对象锁，其他线程想要获取时就会被阻塞，从而保证线程安全。实际上就是使用对象锁保证了临界区内的原子性。

当有其他也是用相同对象obj作为锁时，发现其mark word表示正在被其他线程使用中，这些线程就会进入entrylist阻塞队列并进入blocked状态。

当thread-2执行完了，其他线程再通过竞争获取锁（owner），此时假设thread1竞争到了，就变为owner。
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JDK1.6 对锁的实现引入了大量的优化，如偏向锁、轻量级锁、自旋锁、适应性自旋锁、锁消除、锁粗化等技术来减少锁操作的开销。

自旋优化

通过不断自旋来避免进入blocked状态，如果自旋成功了就表示锁已经释放了，如果失败就进入blocked状态，自旋的次数是自适应的。
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syn使用方式

普通方法：作用于当前对象实列，既方法的调用者。

synchronized void method() {
    
      
        //业务代码
}

静态方法：给当前类模板加锁，作用于类所有的对象实列。

synchronized void staic method() {
    
      
        //业务代码
}

代码块：对指定的对象、类加锁，synchronized(this、object)表示对象，synchronized(类.class)类的锁。

synchronized(this|object|类.class) {
    
      
     //业务代码
}

轻量级锁

轻量级锁是指在没有竞争的情况下就会采取轻量级锁的方式加锁。
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使用创建锁记录lock record对象来代替使用monitor，每个线程栈都会包含一个锁记录的结构，用于存储锁定对象的mark word。

此时让object reference指向锁对象，并会尝试使用cas（compare and set）来交换lock record和object的mark word。01表示未加锁状态，00表示为轻量级锁。
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如果交换成功了，就表示加上了锁，如果失败了，进入锁膨胀或者锁重入。
解锁时又会使用尝试cas将mark word恢复给对象头，失败了就会进入重量级的解锁流程。