并发编程-底层实现原理
Java并发机制的底层原理总结如下：
1. volatile实现原理
（1）由该关键字声明的字段，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变量的修改翻译成汇编语言为带LOCK前缀的指令，该指令会发生两件事：
① 将当前处理器缓存行的数据写回系统内存；
② 该写回内存的操作会使其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。从而保证变量的可见性。
（2）volatile具有两个特性：可见性、原子性和禁止指令重排序优化；
① 可见性，依托于读写happen-before关系，即当读取一个volatile变量时，JMM会把该线程对应的本地内存置为无效，从主内存中重新读取最后一次对该变量的写入值。
② 原子性，可以说是读写原子性，即对单个volatile变量的读写具有原子性，但不能保证volatile++这种复合操作具有原子性，如需做到原子性，需要添加锁实现。
③ 禁止指令重排序优化，当从源码翻译到执行指令序列时，会经过编译器优化重排序、指令级并行重排序、内存系统重排序等，在单线程程序中，这种重排序优化可以获得正确结果，但在多线程程序中，对存在控制依赖的操作重排序，可能会改变执行结果。禁止重排序，会在Java编译器生成指令序列的时候，插入特定类型的内存屏障指令，禁止volatile变量间及与普通变量间读写操作重排序。
JMM内存屏障的插入策略：
| StoreStore屏障 | 在volatile写操作之前 | 禁止前边普通写与volatile写重排序 |
| StoreLoad屏障 | 在volatile写操作之后 | 禁止后边volatile写与volatile读/写重排序 |
| LoadLoad屏障 | 在volatile读操作之后 | 禁止后边普通读与volatile读重排序 |
| LoadStore屏障 | 在volatile读操作之后 | 禁止后边普通写与volatile读重排序 |
2. synchronized实现原理
（1）利用Java中的每个对象作为锁实现同步，表现为三种形式：① 对普通同步方法，锁是当前实例对象；② 对静态同步方法，锁是当前类Class的对象；③ 对同步方法块，锁是synchronized括号中配置的对象。
（2）每个对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它处于锁定状态。在同步代码块中，编译后会插入monitorenter和monitorexit字节码指令，这两个字节码都需要一个reference类型的参数来指明锁定和解锁的对象，如果指定该对象，则reference即为该对象，如果没指定，需要根据synchronized修饰的是实例方法还是类方法，以确定是对象实例还是CLass对象。线程执行到monitorenter时，会尝试获取对象对应monitor的所有权。
（3）synchronized用的锁是存储在Java对象头里的。对象头中第一部分是Mark Word（存储对象的hash code或锁信息）。其中锁存在4个状态，级别从低到高：未锁定（锁标志为01）、可偏向（01）、轻量级锁定（00）和重量级锁状态（10），锁可以升级不可下降。
① 重量级锁：使用操作系统互斥量，对象头Mark Word 存有指向互斥量（重量级锁）的指针，线程竞争锁时，出现线程阻塞等待。之所以称为重量级锁，因为Java的线程是映射到操作系统的原生线程上的，如果阻塞或唤醒一个线程，都需要操作系统来帮忙完成，需要从用户态转换到核心态中，状态转换需要耗费很多处理器时间，可能比用户代码执行时间还长。
② 轻量级锁： 将对象头的Mark Word 复制到栈帧中的锁记录中（官方称为Displaced Mark Word），然后尝试使用CAS 将对象头的Mark Word 替换为指向锁记录的指针，如果成功，则表示没有竞争发生；如果失败，表示存在锁竞争，锁会膨胀为重量级锁。
③ 偏向锁：在对象头和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID，以后该线程再进入和退出同步块时，不需要进行CAS操作加锁和解锁。适用同一线程多次执行同步块。当存在另一个线程竞争时，偏向模式结束，根据锁对象目前是否处于锁定状态，撤销偏向后恢复为未锁定或轻量级锁定状态。
其中，轻量级锁和偏向锁是对重量级锁的优化，以提升同步性能，其依据为：对于绝大部分的锁，再整个同步周期内都是不存在竞争的。轻量级锁再无竞争情况下使用CAS操作去消除重量级使用的互斥量，偏向锁是在无竞争的情况下把整个同步都消除了，连CAS操作也不做了。
3. 原子操作实现原理
（1）在上一篇文章中，我们知道计算机硬件架构需要解决“缓存一致性”问题，处理器如何实现原子操作呢？基于缓存加锁或总线加锁，实现多处理器间的原子操作。
① 总线加锁：使用处理器提供一个LOCK#信号，当一个处理器在总线上输出次信号时，其他处理器的请求将被阻塞，由该处理器独占共享内存。但该方式开销比较大。
② 缓存加锁：利用缓存一致性机制（如上篇文章中说的MSI协议）来保证原子操作，其会组织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用的缓存行的数据时，会使缓存行无效，需要重新刷新数据。
（2）Java原子操作可以通过锁与CAS的方式
① 锁可以认为是通过互斥同步方式，可以通过API层面的互斥锁（ReentrantLock）和原生语法层面的synchronized；
② CAS（比较并交换，Compare-and-Swap），可以认为是非阻塞同步方式，或者说是基于冲突检测乐观并发策略。可能会引入ABA问题，J.U.C包提供一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。不过大部分情况下的ABA问题不会影响程序并发的正确性。
