java并发机制的底层实现原理
volatile
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”。可见性的意思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。
如果一个字段被声明称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的实现原则：
有volatile变量修饰的共享变量在进行写操作的时候，cpu会引发两件事
1、将当前处理器缓存行的数据写回系统内存
2、这个写回内存的操作会使其他cpu缓存了该内存地址的数据无效（由于mesi缓存一致性）
synchronized的实现原理应用
java中的每一个对象都可以作为锁
- 对于普通方法，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Synchonized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。
jvm基于进入和退出monitor对象来实现方法同步和代码块同步。
java对象头
synchronized用的锁是存在Java对象头里的。
数组对象，虚拟机用3个字宽存储对象头。普通对象使用2个字宽存储对象头。32位的虚拟机，1字宽等于4字节，32bit。
对象头长度
对象头里的MarkWord存储对象的，HashCode，分代年龄和锁标记位。
32位java对象头存储结构
Mark Word里存储的数据随着锁标志的变化而变化。可能为以下四种
Mark Word状态变化
64位的存储结构
64位虚拟机Mark Word存储结构
锁的升级与对比
锁一共有4种状态。级别从低到高：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁。锁只能升级不能降级。
引入偏向锁和轻量级锁的原因是：减少获取锁和释放锁占用的资源
偏向锁
大多数情况下，锁不存在多线程竞争，还总是由同一个现成获得。为了让线程获得锁的代价更低，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，该线程在进入和退出同步块不需要cas加锁和解锁，只需要简单测试一下对象头的markword里有没有存当前线程的偏向锁。测试成功表示线程已经获得了锁。失败就再测试一下markword偏向锁的标志是否设置成了1.。没有设置就使用cas竞争锁。设置了就尝试使用cas将对象头的偏向锁指向当前线程。
轻量级锁
线程在执行同步块之前，jvm会在当前线程栈帧创建存储锁的空间，把对象头的markword复制到锁记录中。线程尝试使用cas将对象头中的markword替换为指向锁记录的指针。成功，当前线程获得锁。失败，表示有其他线程竞争锁，尝试自旋来获取锁。
解锁
轻量级解锁时，cas将markword替换回对象头，如果成功，则表示没有竞争。如果失败，则表示当前锁存在竞争，锁会升级成重量级锁
争夺锁导致的锁膨胀流程图
锁的优缺点对比
锁的优缺点的对比
原子操作的原理
原子（atomic）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为“不可被中断的一个或一系列操作”
（1）使用总线锁保证原子性
多个处理器同时从各自的缓存中读取变量，分别进行修改操作，分别写入系统内存，会导致和想要的结果不一样的问题。如果想要保证读改写共享变量的操作是原子的，必须保证cpu1操作共享变量的时候cpu2不能操作。
总线锁就是干这个事情的，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，其他处理器的请求被阻塞住。
（2）使用缓存锁保证原子性
总线锁的开销比较大，锁定总线期间，其他cpu不能操作其他内存地址的数据。某些场合下使用缓存锁代替总线锁。
缓存锁定是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，在lock期间被锁定。执行锁操作回写内存时，修改内部内存地址，由于缓存一致性，会阻止同时修改2个以上处理器缓存的内存区域数据。其他处理器回写已被锁定的缓存航数据，会使缓存行无效。
Java如何实现原子操作
在Java中可以通过锁和循环cas的方式实现原子操作。
（1）使用cas实现原子操作
Jvm的cas利用了处理器提供的cmpxchg指令实现的。cas的实现思路是循环进行cas直到成功为止。
（2）cas的三大问题
1、aba问题。cas在操作值得时候检查值有没有变化，没有变化就更新。如果一个值原来是a变成了b又变成a，cas检查时会发现没有变化，实际上变化了。解决思路就是加上版本号，每次变量更新把版本号加1.
2、循环时间长开销大。cas长时间不成功，会给cpu带来极大的执行开销。
3、只能保证一个共享变量的原子操作。
（3）使用锁来实现原子操作
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。jvm内部实现了很多种锁机制。
