volatile、synchronized、锁的升级、原子操作、总线锁、缓存锁、CAS

参考：《Java并发编程的艺术》

并发编程的挑战

1、为了让程序更快，起更多线程。但是线程的上下文切换，会有额外的开销，影响运行速度。
2、死锁问题。
3、资源限制（带宽、硬盘、CPU）。
所以多使用JDK并发包提供的工具。

Java并发机制底层实现原理

Java中的大部分容器和框架都依赖于volatile和原子操作的实现原理。

volatile

volatile（易变的，不稳定的）

是轻量级的synchronized，在多处理器开发中，保证共享变量的可见性。它不会引起上下文的切换。
被其修饰的变量，在写操作时，生成的汇编代码，会多一条Lock前缀的指令。为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先把内存数据读到内部缓存。操作完不知何时写会内存。Lock前缀指令作用（也是对“缓存一致性协议”的实现）：
        1、将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
        2、这个写操作会使得其它CPU里，缓存了这个内存地址的数据无效。

volatile内存语义

        1、当写变量时，会把本地内存中的值刷新到主内存中。
        2、当读一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程会从主内存中读取共享变量。volatile与锁具有相同的内存语义。

volatile特征

        1、线程可见性。一个行程修改了volatile修饰的变量，其他线程可以立刻看到修改的值。
        2、原子性。单个volatile读写具有原子性，但是对于多个volatile操作或者类似于volatile++这种复合操作不具有原子性。

        3、禁止指令重排序。
（重排序知识参考：三 Java内存模型（JMM））

concurrent包的实现

    1、声明共享变量为volatile
    2、使用CAS的原子条件更新来实现线程间的同步
    3、配合volatile、CAS读写内存语义实现内存间通信
这些就是concurrent包实现的基石。

synchronized

重量级锁。JDK1.6之后，synchronized和ReentrantLock性能基本持平。1.6中为了减少获得与释放锁的额外消耗，引入了偏向锁、轻量级锁、锁升级、锁的存储结构。synchronized实现同步的基础：java中每一个对象都可以作为锁。
有普通同步方法（锁是实例对象）、静态同步方法（Class对象）、同步块。是基于进入和退出Monitor实现的。
同步方法是隐式的，即无需通过字节码指令来控制，调用方法时，会检查ACC_SYNCHRONIZED标志是否被设置，如果是，执行线程会要求先成功持有Monitor。同步代码块，是通过monitorenter和monitorexit实现的。每个monitorenter指令必须执行monitorexit指令，所以编译器会自动产生一条athrow指令来做异常处理。
《synchronized锁代码演示》

锁的升级

偏向锁 --->  轻量级锁  ---> 重量级锁
1、偏向锁：等到竞争出现才会释放锁。
2、轻量级锁：CAS加锁解锁。
        加锁的过程：代码进入同步块的时候，如果同步对象没有被锁定，那么JVM会在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录的空间（Lock Record）,用来存锁对象Mark Word的拷贝（这个拷贝叫Displaced Mark Word）,然后用CAS操作把对象的Mark Word，更新为指向Lock Record。
        如果有其它线程来竞争锁，那么锁会膨胀成重量级锁。锁只会升级。此时其他线程获取锁时，都会被阻塞，持有锁的线程释放后，唤醒这些线程。
        锁消除：JVM编译时，会去除不可能存在共享资源竞争的锁。

原子操作的实现原理

原子操作：不可被中断的一个或一系列操作。

CPU处理器如何实现原子操作

首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。保证从内存中读取或写入一个字节是原子性的。意思是当一个处理器从系统内存读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字节的内存地址。但是复杂的内存操作，处理器不能自动保证其原子性，比如跨总线宽度、跨多个缓存行、跨页表。但是提供缓存加锁和总线加锁。

总线锁

数据通过总线在处理器和内存之间传递。每次数据传递是通过一系列的步骤步骤来完成，叫做总线事务，在一个事务期间，总线会禁止其他处理器和IO设备执行内存读写。总线仲裁（Bus Arbitration），会确保所有处理器都能公平访问内存。
当一个处理器在总线上输出 LOCK#信号，其他处理器的请求将被阻塞。那么该处理器就可以独占共享内存。

缓存锁

锁操作回写内存时，修改内部内存地址，缓存一致性会使得其他CPU的缓存失效。

Java中如何实现原子操作

通过锁和循环CAS实现。

CAS

JVM的CAS操作利用的是处理器提供的CMPXCHG指令实现的。

CAS三大问题
1、ABA问题。
解决思路，使用版本号。AtomicStampedReference的compareAndSet比较引用、标志。
2、循环时间长开销大。
如果JVM支持CPU的pause。第一可以延迟流水线执行指令，减少CPU消耗。第二避免在退出循环的时候，因为内存顺序冲突而引起CPU流水线被清空，提高CPU执行效率。
3、只能保证一个共享变量的原子操作。
AtomicReference类来保证对象之间的原子性，把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

synchronized和CAS比较

synchronized是互斥锁，会有线程阻塞和唤醒带来额外的消耗，称作阻塞同步，也可称作悲观锁。CAS是非阻塞同步，称作乐观锁。先进行操作，操作完成再判断是否成功，是否有并发问题，有则进行失败补偿，没有就算操作成功。