Java代码在编译后会变成Java字节码，字节码被类加载到JVM里，JVM执行字节码，最终需要转化为汇编指令在CPU上执行，Java中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和CPU的指令。
1.CPU相关术语
2.volatile的应用
volatile是轻量级的synchronized，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。
可见性：是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。
如果volatile变量修饰符使用恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。
①volatile的定义与实现原理
Java语言规范第3版中对volatile的定义：Java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量Java语言提供了volatile，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成volatile，Java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。
通过编译器生成汇编指令来查看volatile进行写操作时，CPU会做什么事情。
java代码：
instance = new Singleton(); //instance是volatile变量
转变成汇编代码如下：
0x01a3deld: movb $0×0,0×1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0×0,(%esp);
有volatile修饰的共享变量进行写操作的时候会多出第二行汇编代码。Lock前缀的指令在多核处理器下会引发两件事情：
1)将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
2)这个写回内存的操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。
为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1，L2或其他）后再进行操作，但操作完不知道何时会写到内存。如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。
处理器使用嗅探技术保证它的内部缓存、系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。如果通过嗅探一个处理器来检测其他处理器打算写内存地址，而这个地址处于共享状态，那么正在嗅探的处理器将使它的缓存行无效，在下次访问相同内存地址时，强制执行缓存行填充。
3.synchronized的实现原理与应用
synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下3种形式：
对于普通同步方法，锁是当前实例对象。
对于静态同步方法，锁是当前类的Class对象。
对于同步方法块，锁是synchronized括号里配置的对象。
JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的，方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在JVM规范里并没有详细说明。
monitorenter指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而monitorexit是插入到方法结束处和异常处，JVM要保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit与之配对。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor的所有权，即尝试获得对象的锁。
①Java对象头
synchronized用的锁是存在Java对象头里的。如果对象是数组类型，则虚拟机用3个字宽（Word）存储对象头，如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。32位虚拟机中，1字宽=4字节=32bit。
运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
②锁的升级与对比
Java SE 1.6引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级。锁可以升级但不能降级，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。
1)偏向锁
HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。
当一个线程访问同步块并获取锁时，会在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程在进入和退出同步块时不需要进行CAS操作来加锁和解锁。
a.偏向锁的撤销
偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。
b.关闭偏向锁
偏向锁在Java6和7里是默认启用的，但它在应用程序启动几秒之后才激活，如有必要，可以使用JVM参数关闭延迟： -XX:BiasedLockingStartupDelay=0。 当确定程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:UseBiasedLocking=false ，那么程序默认会进入轻量级锁状态。
2)轻量级锁
a.轻量级锁加锁
线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。
b.轻量级锁解锁
轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。
因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程视图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。
3)锁的优缺点对比
4.原子操作的实现原理
①处理器如何实现原子操作
32位IA-32处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。处理器保证从系统内存中读取或者写入一个字节是原子的，意思是当一个处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字节的内存地址。Pentium6和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64位的操作是原子的，但是复杂的内存操作处理器是不能自动保证其原子性的，比如跨总线宽度、跨多个缓存行和跨页表的访问。但是处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内存操作的原子性。
例子：i++
如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作（i++是经典的读改写操作），那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的。
多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i，分别进行加1操作，然后分别写入系统内存中。那么想要保证读改写共享变量的操作是原子的，就必须保证CPU1读改写共享变量的时候，CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。
1）使用总线锁保证原子性
所谓总线锁就是使用处理器提供的一个LOCK#信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住，那么该处理器可以独占共享内存。
2）使用缓存锁保证原子性
在同一时刻，我们只需保证对某个内存地址的操作是原子性即可，但总线锁定把CPU和内存之间的通信锁住了，这使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定的开销比较大，目前处理器在某些场合下使用缓存锁定代替总线锁定来进行优化。
所谓缓存锁定是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在Lock操作期间被锁定，那么当它执行锁操作回写到内存时，处理器不在总线上声言LOCK#信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性。
缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时，会使缓存行无效。
有两种情况下处理器不会使用缓存锁定：
a.当操作的数据不能被缓存在处理器内部，或操作的数据跨多个缓存行（cache line）时，则处理器会调用总线锁定。
b.有些处理器不支持缓存锁定。如Intel 486和Pentium处理器。
②Java如何实现原子操作
在Java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。
1）使用循环CAS实现原子操作
JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止。
Java1.5 开始，JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作，如AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong。这些原子包装类还提供了有用的工具方法，比如以原子的方式将当前值自增1和自减1。
以下代码实现了一个基于CAS线程安全的计数器方法safeCount和一个非线程安全的计数器count：
2）CAS实现原子操作的三大问题
ABA问题，循环时间长开销大，以及只能保证一个共享变量的原子操作。
CAS算法：一个CAS方法包含三个参数CAS(V,E,N)。V表示要更新的变量，E表示预期的值，N表示新值。只有当V的值等于E时，才会将V的值修改为N。如果V的值不等于E，说明已经被其他线程修改了，当前线程可以放弃此操作，也可以再次尝试次操作直至修改成功。基于这样的算法，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰（临界区值的修改），并进行恰当的处理。
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ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但实际上却变化了。
ABA问题的解决思路就是使用版本号，在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B箭头3A。1.5开始JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，全部相等，则以原子方式将该引用和该标志位的值设置为给定的更新值。
循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。
只能保证一个共享变量的原子操作。多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候可以用锁。还有一个取巧的办法，就是把多个变量合并成一个共享变量来操作，如i=2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS操作ij。1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。
3）使用锁机制实现原子操作
锁机制保证了只有获得锁的线程才能操作锁定的内存区域。有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程想进入同步块的时候使用CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。
