2. Java并发机制的底层实现原理

Volatile

volatile认为是轻量级的synchronized，使用和执行成本更低，不会引起上下文切换和调度；

volatile修饰的变量写操作时的汇编代码会多一条：lock指令，作用：

1. 将当前处理器缓存行数据写回内存；

2. 一个处理器的缓存回写会使其他缓存了该内存地址的数据无效；

缓存一致性协议：每个处理器通过嗅探总线数据来保证数据一致；

需要多个线程区写同一个共享变量，volatile变量是不合适的

synchronized

实现原理：JVM基于进入和退出monitor对象实现，进入前代码经编译后插入monitorenter指令，退出时插入monitorexit指令；

任何对象都有一个monitor，monitorenter和monitorexit是配对的；

锁信息的存储：存储在Java对象头中的mark word中；

锁有4种状态：无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁，锁只能升级不能降级，是为了提高获得和释放锁的效率；

偏向锁：

引入目的：通常锁由一个线程多次获得，为了减少这种情况下的获得代价；

实现原理：Java对象头的Mark Wod中存储了偏向锁的线程ID和锁状态，存在竞争时才释放锁或者竞争锁；

加锁：线程进入同步块时，将线程ID记录到对象的头中，下次进入只需要检测头信息即可重新获得，没有信息才使用CAS竞争锁；

解锁：退出同步代码块或者有线程竞争时；

关闭：Java默认开启了偏向锁，如果确定程序大多数都处于竞争，可以通过JVM参数关闭偏向锁，这时会进入轻量级锁；

轻量级锁：

加锁：线程将对象的MarkWord复制到线程的栈空间并修改然后写回对象，失败时通过自旋获取锁；

解锁：写回对象的MarkWord，若失败表示锁存在竞争，锁升级为重量级锁，重量级锁时其他线程都是阻塞

锁对比

原子操作

处理器如何实现：

总线锁：处理器操作时锁总线，让其他处理器不能操作；

缓存锁：保证内存的缓存一致（即volatile的缓存一致性）；

Java如何实现：锁、CAS（利用处理器的CMPXCHG指令）

CAS的问题及解决：

1. ABA问题；解决：数据加上版本号；Java实现：AtomicStampedReference；

2. 循环时间长开销大；解决：利用处理器的pause指令延迟执行；

3. 只能保证一个共享变量的原子操作；解决：锁或者将多个变量包装到一个变量；Java实现：AtomicReference；

JVM中除了偏向锁，其他锁机制都用到了CAS；