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，最终需要转换为汇编指令在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。

一、volatile的应用

如果一个字段被声明为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。

1. volatile的定义与实现原理

CPU术语表如下所示：

那么，volatile是如何保证可见性的呢？

现在，我们看示例代码，如下所示：

instance = new Singleton(); //instance是volatile变量

转变为汇编代码，如下所示：

0x01a3de1d: movb $0×0,0×1104800(%esi);
0x01a3de24: lock addl $0×0,(%esp);

有volatile修饰的共享变量进行写操作时会多出第二行汇编代码。

lock前缀的指令在多核处理器下会引发两件事：

• 将当前处理器缓存行的数据写回到主内存；
• 写回主内存操作会使其他CPU里缓存了该内存地址的数据失效。

在详细介绍lock指令之前，我们需要对计算机存储层次结构有一个简单的认识：

为了提高处理速度，处理器不直接和内存进行通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存后再进行操作。如果对声明了volatile的变量进行写操作，JVM就会向处理器发送一条lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是，就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题。所以，在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。

volatile的两条实现原则：

• lock指令会引起处理器缓存回写到内存；
• 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存失效。

2. volatile的使用优化

使用追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能！

为什么追加字节能够提高并发编程的效率呢？

因为对于Intel Core、Atom和Pentium M处理器，其L1、L2或L3缓存的高速缓存行是64个字节宽，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，处理器会将它们都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时，会将整个缓存行锁定，那么在缓存一致性机制的作用下，会导致其他处理器不能访问自己高速缓存中的尾节点，而队列的入队和出队操作则需要不停修改头节点和尾节点，所以在多处理器的情况下将会严重影响到队列的入队和出队效率。

是不是在使用volatile变量时都应该追加到64字节？不是，两种场景下不能：

• 缓存行非64字节宽的处理器；
• 共享变量不会被频繁地读写。

二、synchronized的应用

1. 锁的实现原理

synchronized实现同步的基础：Java中的每一个对象都可以作为锁。

具体表现为：

• 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括号中配置的对象。

JVM基于进入和退出Monitor对象来实现方法同步和代码块同步。monitorenter指令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。任何对象都有一个monitor与之关联，当且一个monitor被持有后，它将处于锁定状态。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，即尝试获得对象的锁。

synchronized所用的锁是存在Java对象头里的。

2. 锁的对比

Java中，锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。

锁的状态会随着竞争情况逐渐升级，锁可以升级但不能降级，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。

2.1 偏向锁

背景：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，为了让线程得到锁的代价更低，故引入了偏向锁。

方法：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，之后该进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，只需简单地测试一下对象头的MarkWord里是否存储着指向当前线程的偏向锁。

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。

2.2 轻量级锁

• 轻量级锁加锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈帧中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头的MarkWord复制到锁记录中，该过程称之为Displaced MarkWord。然后，线程尝试使用CAS将对象头的MarkWord替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁；如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁。

• 轻量级锁解锁

轻量级锁解锁时，会使用原子CAS操作将Displaced MarkWord替换回对象头，如果成功，则表示竞争没有发生。如果失败，则表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成为重量级锁。

2.3 锁的对比

三、原子操作的实现原理

原子操作（Atomic Operation）：不可被中断的一个或一系列操作。

1. 术语

2. 处理器如何实现原子操作

处理器通过两种方式来实现原子操作：

使用总线锁保证原子性

第一个机制是通过总线锁保证原子性。所谓总线锁就是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，其他处理器的请求将被阻塞住，则该处理器可以独占共享内存。

使用缓存锁保证原子性

第二个机制是通过缓存锁来保证原子性。总线锁开销大，缓存锁开销小。

两种情况下，处理器不会使用缓存锁：

1. 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，处理器会调用总线锁。
2. 有些处理其不支持缓存锁。

3. Java如何实现原子操作

Java通过两种方式实现原子操作：

使用循环CAS实现原子操作

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。

例如：

// 使用CAS实现线程安全计数器
private void safeCount() {
    for (;;) {
        int i = atomicI.get();
        boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
        if (suc)
            break;
    }
}

CAS实现原子操作的三大问题：

（1）ABA问题

因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

解决思路：使用版本号！

（2）循环时间开销大

（3）只能保证一个共享变量的原子操作

使用锁机制实现原子操作

锁机制保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域。

除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程想要进入同步块的时候，其使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块时，其使用循环CAS的方式来释放锁。

四、小结

在本文，我们一起研究了volatile、synchronized和原子操作的实现原理。