并发机制的底层实现

Java代码编译成Java字节码，字节码被类加载器加载到JVM中，并转换成汇编指令在CPU上执行；而Java的并发机制就依赖于JVM的实现与CPU指令。

volatile关键字

多线程并发编程synchronized和volatile都扮演者重要的角色，其中可以将volatile视为保证共享变量“可见性”的轻量级synchronized，其不会引起上下文的切换和调度；

定义与实现原理

了解volatile实现原理之前，先了解其实现原理相关的CPU术语和说明；


Lock前缀的指令在多核处理器下引发两件事情，（1）将当前处理器缓存行数据写回系统内存；（2）写回内存的操作使得其他CPU内缓存该内存地址的数据无效；

处理器不与内存通信，而是先将内存数据读取到内部缓存，但是对该数据操作完成后不知道何时写回到内存中，而volatile修饰的变量进行写操作，JVM则会向CPU发送Lock前缀指令（上述所写的），数据写回了内存；但是其他处理器的缓存还是旧值，此时依靠缓存一致性协议，每个处理器嗅探总线上传播的数据查看自身缓存数据是否过期，如过期，则设置为无效，且当下次该处理器需要进行数据修改的时候，再从内存中读取。

volatile实现原则

（1）Lock前缀指令引起处理器缓存写回内存，其中主要通过LOCK#信号确保在声言该信号的过程中，只有单一处理器独占共享内存（处理器老版本中通过锁住主线进行的，当前版本使用的锁住内存区域的缓存直至写回内存，并使用缓存一致性确保修改的原子性，此操作又称为“缓存锁定”）
（2）一个处理器的缓存写回内存将导致其他处理器的缓存无效；使用MESI协议维护内部缓存与其他处理器缓存及系统内存之间的关系，MESI相当于建立了之间的连接总线，使得嗅探能够时刻了解当前总线的情况，如果一处理器的缓存数据进行了修改，其他的处理器的相同缓存数据则使得无效，当下次刚无效的CPU重新获取地址，连接到MESI总线，将修改的数据直接赋予。

synchronized的实现原理与应用

Java中的每一个对象都可以作为锁，具体表现为3中形式：（1）对于普通同步方法，琐是当前实例对象；（2）对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象；（3）对于同步方法块，锁是Synchronized括号内配置的对象
Synchronized的实现主要分为两类（本质都是基于Monitor对象实现）：（1）锁代码块的时候，使用monitorenter和monitorexit实现；（2）锁方法的时候，使用ACC_SYNCHRONIZED指令执行。

对象头

对象如果是数组类型，虚拟机使用3字宽存储对象头，如果非数组类型使用2字宽存储对象头；

其中运行期间，Mark Word中存储的数据会随着锁标志位的变换而变换
锁升级与对比
（1）偏向锁，synchronized开始就是偏向锁（此时某个时间段内只有一个线程争夺资源）；
步骤：
a.头次进入将Mark Word的锁标志位设置为01，进入偏向模式
b.如果判定为偏向状态，查看Mark Word中的线程ID是否与外部线程ID一致，如一致则进入同步块
c.如果线程ID不同，那么使用CAS进行竞争锁操作,如果竞争成功将Mark Word中线程ID修改为当前线程ID，进入同步块。
d.如果修改失败，必须等到其他线程竞争偏向锁，才能开始释放，进而等待全局安全点（时间点上没有执行的字节码），暂停所有偏向锁的线程，然后依据线程的活跃程度进一步确定。
（2）轻量级锁，当偏向锁处于运行状态的时候，此时出现了第二个线程进行锁竞争，这时偏向锁升级为轻量级锁（两个线程的竞争并非同时）
步骤：
a.代码进入同步块中，如果同步对象是无锁状态（是否偏向锁“0”，锁标志位“01“），当前线程的栈创建存储锁记录的空间（Lock Record），存储对象Mark Word的拷贝
b.CAS尝试将对象Mark Word更新为指向Lock Record的指针，如果成功标识线程拥有该对象的锁，并将Mark Word的锁标志位设置为”00“；
c.如果失败，检查Mark Word中线程ID是否指向线程ID，如果则进入同步块，否则说明多个线程正在竞争（2个或多个锁同时竞争），升级为重量级锁，标志位设置为”10“并开始自旋以获取锁。

原子操作的实现原理

原子本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作意为“不可被中断的一个或一系列操作”；
处理器通过两种方式保证原子操作：（1）使用总线锁保证原子性，某处理器使用LOCK#信号时，其他处理器请求将被阻塞；（2）使用缓存锁保证原子性，其本质是保证内存地址的原子性，将频繁使用的内存缓存到处理器的高速缓存中，在Lock操作期间被锁定，执行锁操作回写到内存时，不声明LOCK#信号，而是修改内部内存地址，通过缓存一致性机制保证操作的原子性。注：两种情况使得处理器不会使用缓存锁定，（1）操作的数据不能被缓存到处理器内部或操作的数据跨多个缓存行时，处理器会调用总线锁定；（2）某些处理器不支持缓存锁定。

Java实现原子操作

Java通过锁和循环CAS的方式实现原子操作；（1）使用循环CAS实现原子操作，循环进行CAS操作直至成功，其中JDK的并发包提供了一些类来支持原子操作，如AutomicBoolean；（2）CAS实现原子操作的三大问题，即ABA问题、循环时间开销大的问题以及只能保证一个共享变量的原子操作
a）ABA问题，A->B->A导致误认为没有修改操作，其实有修改操作但是最终变回了原本值，导致没有觉察导致出现错误；解决方法就是在变量前面添加版本号，如A -> B -> A最终变成1A -> 2A -> 3A；代码实现就是通过JDK的Atomic包提供的AtomicStampedReference解决问题，该类的compareAndSet方法的作用a1）检查当前引用是否等于预期引用；（a2）检查当前标志是否等于预期标志；（a3）如果全部相等，通过原子方式将引用和标志值设置为给定的更新值。
b）循环开销大的问题，自旋CAS如果长时间不成功，将会给CPU带来很大的执行开销，如果JVM支持处理器提供的pause指令可以实现两方面优化（1）延迟流水线指令（de-pipeline），使CPU不会消耗过多的执行资源；（2）避免退出循环时因内存顺序冲突导致CPU流水线被清空，进而提高CPU执行效率
c）只能保证一个共享变量的问题，多个变量时CAS无法保证操作的原子性，但可以通过（1）加锁方式，synchronized（2）多个共享变量合并称为一个共享变量进行操作，JDK中的AtomicReferen ce类保证对象之间的原子性。
（3）使用锁机制实现原子机制，只有获得锁的线程才能操作锁定的内存区域，JVM的锁机制除了偏向锁，其他都是斗个循环CAS实现的锁，当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS获得锁，同理想退出的时候使用循环CAS释放锁。