（二）Java并发机制底层实现原理

1. volatile的原理

volatile，轻量级的synchronized，保证的是一个线程修改后，另一个线程立马可见的可见性，不会引起上下文切换。

底层实现

volatile Singleton instance = new Singleton()

JIT编译器生成的指令代码如下：

0x01a3deld:
mov $0x0,0x1104800(%esi);
0x01a3de24: lock addl $0x0, (%esp);

有volatile修饰的变量进行写操作时会多出第二行汇编代码，lock指令在多核处理器下产生两个结果：

1. 将当前处理器缓存的数据写回系统内存；
2. 写回内存操作使其它CPU里缓存了该内存地址的数据无效，导致重新从系统内存读取；

以上操作导致了该变量的修改在不同线程之间是可见的。

2. synchronized的原理与应用

synchronized是重量级锁，随着Java1.6进行优化以后，引入了偏向锁、轻量级锁，以及锁的存储结构和升级过程。
synchronized锁有三种形式：

1. 普通同步方法，锁是当前实例；
2. 静态同步方法，锁是当前Class对象；
3. 同步方法块，锁是括号里配置的对象；

synchronized是由JVM实现的，代码块同步是通过编译后在代码开始和结束(包括异常)位置分别使用monitorenter和monitorexit指令来实现的，同步方法则是方法属性里加入同步标记来实现。任何对象都有一个monitor与之关联。

1）Java对象头

synchronized使用的锁是存在Java对象头里的，对象为数组类型，则虚拟机使用3个字宽(32位虚拟机一个字宽为32位，即4个字节)，非数组类型使用2个字宽存储对象头。

MarkWord的存储结构：

2）锁升级

Java 1.6为了减少锁获取和释放带来的性能损耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，级别从低到高：无锁->偏向锁->轻量级锁->重量及锁。锁可以升级，但不能降级。

• . 偏向锁
  一个线程访问同步块时，会在对象头和栈帧的锁记录里存储当前线程ID，以后该线程在进入和退出时不需要CAS来加解锁，只需简单测试MarkWord里是否有偏向锁指向自己。
  
• 轻量级锁
  加锁：执行同步块之前，JVM先在当前线程栈帧中创“锁记录”空间，并将MarkWord复制到“锁记录”中，然后尝试使用CAS将对象头中MarkWord替换为指向“锁记录”的指针，成功则获取锁，失败则使用“自旋”来获取锁。
  解锁：使用原子操作将“锁记录”替换回对象头，成功则表示没有竞争，失败表示存在竞争，锁膨胀为重量级锁。

3. 原子操作实现原理

1）处理器如何实现原子锁

• 总线锁定
  使用处理器提供的Lock#信号，一个处理器输出此信号时，其他处理器请求将被阻塞。锁定开销较大。
• 缓存锁定
  内存区域被缓存在处理器的缓存行中，Lock期间被锁定，执行回写内存时(缓存一致性会阻止同时修改由两个处理器缓存的内存区)，会使其他缓存了该内存区的数据无效，导致重新读取内存。

2） Java中原子操作

实现方式：

• 锁：如之前内容所述，获取锁的线程才能操作指定共享的内存区域；
• 循环CAS：使用了处理器提供的CMPXCHG指令；

循环CAS存在的问题：
1. ABA问题，解决方法：版本号机制，每次操作版本号+1；
2. 循环时间长，开销大；
3. 只能保证一个变量的原子操作；