“Java代码在编译后会变成Java字节码，字节码被类加载器加载到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。本章我们将深入底层一起探索下Java并发机制的底层实现原理
——java并发编程的艺术
”
volatile关键字
并发编程中synchronized和volatile都扮演着重要的角色，volatile是轻量级的synchronized，他在多线程的开发中保证了共享变量的内存可见性。可见性是指，一个线程在修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值，而不是内存或者CPU缓存的值。volatile不会引起线程上下文的切换和调度。
volatile的定义与实现原理
定义
java语言规范第三版对volatile的定义如下：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，在某些情况下比锁要更加方便。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。
volatile有关的CPU术语
在了解volatile的原理之前，我们需要看下与其实现原理相关的CPU术语与说明
那么volatile是如何保证内存可见性的呢？我们在X86处理器下通过工具获取到JIT编译器生成的汇编指令来查看对volatile进行写操作，CPU会做什么事情
Java代码如下：
instance=newSingleton()//instance是volatile变量
转变成汇编代码，如下：
0x01a3de1d: movb $0×0,0×1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0×0,(%esp);
有volatile关键字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会引发两件事情：
将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存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
这就是Lock指令保证了CPU缓存的一致性。当处理器对被volatile关键字修饰的变量修改时，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。
volatile的实现原则
Lock前缀指令会引起处理器缓存写回到内存一个处理器的缓存写到内存会导致其他处理器的缓存无效volatile的使用优化
追加字节优化性能
因为对于Intel core i7、酷睿、Atom和NetBurst，以及Core Solo和Pentium M处理器的L1、L2、L3的高速缓存行都是64字节宽，不支持部分填充缓存行，这意味着，如果队列的头节点和尾节点都不足64字节的话、处理器会将他们读到同一个高速缓存行中，在多处理器下每个处理器都会缓存同样的头、尾节点，当一个处理器试图修改头节点的时候，会将整个缓存行锁定，导致其他处理器无法访问自己高速缓存中的尾节点，造成了伪共享问题。这严重影响了效率。
但是如果我们将头、尾节点填充到64字节，处理器就不会把他们放在同一个缓存行中，这就解决了伪共享问题。
但是，也不是在使用volatile变量时都应该追加到64字节，下面两种情景就不需要
缓存行非64字节宽的处理器共享变量不会被频繁的读写
不过在Java7中，追加字节的方式可能不生效，因为Java7更加智能，会淘汰或者重新排列无用字段，除了volatile，Java并发编程中应用比较多的是synchronized。
synchronized的实现原理与应用
synchronized被称为重量级锁。实际上随着Java SE对synchronized进行各种优化之后，有些情况他就没那么重了。
synchronized实现同步的基础
Java中每一个对象都可以作为锁。具体表现为以下三种形式：
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
当一个线程试图访问同步代码块时，他首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。那么，锁究竟是什么？
JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步，但两者细节不一样，代码块同步是使用monitorenter和monitorexit指令实现的。而方法同步是使用另外一种方式实现的，这里不详细说明。
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需要保证每个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，他将处于锁定状态。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，即尝试获取对象的锁。
Java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个字宽存储对象头，如果是非数组类型，则用2字宽存储对象头。
在32位虚拟机中，1字宽等于4字节，即32bit。
Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和所标记位。32位JVM的MarkWord的默认存储结构如下表
在运行期间，Mark Word存储的数据会随着锁标志位的变化而变化，其有可能变化为存储以下4种数据。
在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的，其存储结构如下表：
锁的升级
为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，在JavaSE 1.6中，锁一共有4种状态，从低到高依次是无锁状态，偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。锁可以升级但不能降级，这是为了提高获得锁和释放锁的效率。
偏向锁
在大多数情况下，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，只需要测试一下对象头的Mark Word里是否储存着指向当前线程的偏向锁。如果测试失败，会检测Mark Word里偏向锁的标识是否设置为1(表示当前是偏向锁)：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。
只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会主动释放偏向锁。线程不会主动释放偏向锁。
当有线程竞争的时候，偏向锁会升级成轻量级锁
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。偏向锁的撤销需要等待全局安全点(在这个时间点上没有正在执行的字节码)。他会暂停并检测拥有偏向锁的线程，如果线程不处于活动状态，就将对象头设置为无锁状态。如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈就会被执行，遍历偏向对象的锁记录。对象头的Mark Word要么重新偏向其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。
关闭偏向锁
偏向锁在Java6和Java7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果确定应用程序中所有锁通常情况处于竞争状态，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。
轻量级锁
轻量级锁加锁
线程在执行同步代码块之前，JVM会先在当前线程中创建用于存储所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Displace Mark Word。线程尝试用CAS将对象头中的Mark Word替换成指向锁记录的指针。如果成功 ，当前线程获得锁，如果失败，则表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试自旋来获取锁。
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替换成对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。当自选超过一定次数，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。下图描述了这一过程
因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋(比如锁的线程被阻塞住了)，一旦锁升级成重量锁，就不会再恢复到轻量级锁了。
锁的优缺点对比
原子操作的实现原理
原子(atomic)意为不能进行分割的最小粒子，Java中的原子操作也是“不可被中断的一个或一系列操作”。接下来简单的说一说Intel处理器和Java里是如何实现原子操作的。
1、术语定义
原子操作的实现
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(从内存读取或者写入一个字节是原子的)。复杂的操作，处理器无法保证原子性，因此，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。
总线锁定保证原子性
如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作，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，操作完共享变量的值会和期望的不一致，如下图(两个线程同时对i进行累加)
总线索就是来解决这个问题的：
所谓总线索就是使用处理器提供一个LOCK#信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的对缓存了该共享变量的缓存行的请求将被阻塞住，那么该处理器可以独占共享内存。
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时原子性即可，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。总线锁定的开销是比较大的。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。
频繁使用的内存会缓存在处理器的L1、L2和L3高速缓存里，那么原子操作就可以直接在处理器内存缓存中进行，并不需要声明总线锁，在Pentium6和目前的处理器中可以使用“缓存锁定”的方式来实现复杂的原子性操作。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。**这是因为缓存一致性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。
不能使用缓存锁定的情况
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时，则处理器会调用总线锁定有些处理器不支持缓存锁定。如Intel 486和Pentium处理器，就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。Java实现原子操作
Java可以通过锁和CAS的方式实现原子操作。
循环CAS实现原子操作
JVM中的CAS操作正是利用处理器提供的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。从Java1.5开始，JDK并发包里提供了一些类来支持原子操作，如：AtomicBoolean,AtomicInteger等。
CAS实现原子性的三大问题
ABA问题。使用AtomicStampReference类来解决。其会检查当前引用是否等于预期引用，当前标志是否等于预期标志。简单理解就是加上时间戳或者加入一个标志变量(线程修改一次就加一)，让旧值无法复原。循环时间开销大。这个暂时无法解决，《Java并发编程的艺术》一书给出的建议是JVM加入处理器提供的pause指令只能保证一个共享变量的原子操作。解决方法：1)将多个共享变量合并成有一个共享变量来操作；2)使用AtomicRederence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进行CAS操作。
