我們知道java實現(xiàn)的并發(fā)操作最后肯定是由我們的CPU完成的，中間經(jīng)歷了將java源碼編譯成.class文件，然后進(jìn)行加載，然后虛擬機執(zhí)行引擎進(jìn)行執(zhí)行，解釋為匯編語言，然后轉(zhuǎn)為操作系統(tǒng)指令，然后轉(zhuǎn)為1，0，最后CPU進(jìn)行識別執(zhí)行。

提到j(luò)ava的并發(fā)，我們不由的就會想到j(luò)ava中常見的鍵字：volatile和synchronized，我們接下來就會從這兩個關(guān)機字展開分析：

volatile的底層實現(xiàn)原理

synchronized的實現(xiàn)原理和應(yīng)用

volatile

說到volatile，在java的面試中面試官可是最喜歡問的問題了?？吹剿覀兪紫认氲降谋闶潜３志€程間的可見性，是一個輕量級的synchronized，在一些情況下它可以代替synchronized。

volatile的作用：

一個被volatie修飾的變量，java內(nèi)存模型會保證所有的線程看見的變量值是一致的。

volatile的工作原理：

我們可以定義一個volatile變量，并對他進(jìn)行賦值，并通過工具來獲取jit編譯器生成的匯編指令，我們會發(fā)現(xiàn)在對volatile變量進(jìn)行寫操作時，會多出一條指令：以lock為前綴的指令：

lock為前綴的指令在多核處理器下回引發(fā)兩件事情：

①將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)回寫到內(nèi)存中。

②這個回寫內(nèi)存的操作會使得在其他cpu里緩存了改內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效。

當(dāng)我們知道了以上兩點，我們就不難理解volatie變量的機制了。

在多處理器下，為了保證各個處理器的緩存是一致的，會實現(xiàn)緩存一致性協(xié)議，每個處理器通過嗅探在總線上的傳播的數(shù)據(jù)來檢查自己緩存的值是不是過期了。

synchronized

想到多線程的并發(fā)，其實我第一個想到的便是這個synchronized，翻譯過來為同步，我們都知道它是一個重量級鎖，當(dāng)對一個方法或者代碼塊使用它時，當(dāng)一個線程獲得了這個鎖，那么其它的線程就會陷入掛起狀態(tài)，在java中也就表現(xiàn)為sleep狀態(tài)，我們都知道線程的掛起和運行時要轉(zhuǎn)入操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)的（與內(nèi)核態(tài)對應(yīng)的便是用戶態(tài)），這樣特別浪費cpu資源，所以這個重量級鎖是名副其實的！

但是，java SE 1.6過后java的維護(hù)團(tuán)隊對它進(jìn)行了一系列的優(yōu)化（這些優(yōu)化后面一一講述），他也就沒那么“重”了，以前還有優(yōu)勢的可重入鎖也變得沒那么有優(yōu)勢了（ReentrantLock）。

一下我們就下列幾個方面講述synchronized：

利用synchronized實現(xiàn)同步的基礎(chǔ)

synchronized是如何實現(xiàn)鎖的

偏向鎖，輕量級鎖（自旋鎖），重量級鎖

鎖的升級

java如何實現(xiàn)原子操作

①利用synchronized實現(xiàn)同步的基礎(chǔ)：

我們在開發(fā)中或者java的源碼中都能看見synchronized的身影，例如HashTable，StringBuilder等地方，常見有兩種方式：

Ⅰ丶同步方法

同步方法只需要在方法前加上synchronized便可，當(dāng)一個線程執(zhí)行它的時候其他線程便會陷入等待，直到它釋放鎖。對方法使用又可以分為兩種：對普通同步方法和對靜態(tài)方法，它們之間的差別是加鎖的對象不同，普通方法加鎖的位置是當(dāng)前的對象，而靜態(tài)方法加鎖的位置是當(dāng)前類的Class對象。

Ⅱ丶同步方法塊

同步方法塊加鎖的是Synchronized后括號里配置的對象，這個對象可以是一個值以及任何一個變量或者對象。

②synchronized是如何實現(xiàn)鎖的：

在jvm的規(guī)范中可以看到synchronized在jvm中的實現(xiàn)原理，jvm基于進(jìn)入和退出Monitor對象來實現(xiàn)同步方法和代碼塊的同步，代碼塊是使用monitorenter和monitorexit指令來實現(xiàn)的，而同步方法jvm規(guī)范里沒有具體給出，但是我相信具體的原理應(yīng)該相差不大，無非是將java源碼編譯為class文件，在class字節(jié)碼文件中對使用synchronized的方法進(jìn)行一個標(biāo)記，在字節(jié)碼引擎執(zhí)行這個方法的時候會對這個方法進(jìn)行同步處理。

③偏向鎖，輕量級鎖（自旋鎖），重量級鎖：

在講鎖之前我們需要知道java對象頭，java的對象頭：
synchronized使用的鎖是存儲在java對象頭里的，java對象頭里面有32bit/64bit（視操作系統(tǒng)的位數(shù)而定）長度的MarkWord 里面存儲了對象的hashCode和鎖的信息等，在MarkWord中有2bit的空間來表示鎖的狀態(tài)00,01,10,11，分別表示輕量級鎖，偏向鎖，重量級鎖，GC標(biāo)記。

偏向鎖：偏向鎖也就人稱它為偏心鎖，從名字我們就可以看出來，它是一個偏向某一個線程的鎖。

在實際的開發(fā)中，我們發(fā)現(xiàn)多線程并發(fā)，大多數(shù)執(zhí)行同步方法的都是同一個線程，出現(xiàn)多個線程爭搶一個方法的概率比較低，所以重復(fù)的獲取鎖和釋放鎖就會產(chǎn)生大量的資源浪費，所以為了讓線程獲得鎖的代價更低引入了偏向鎖，當(dāng)一個線程訪問一個同步塊并獲得鎖時，會在對象頭和線程的棧幀中的鎖記錄中存儲偏向鎖的線程ID，以后該線程進(jìn)入和退出同步塊時不需要進(jìn)行CAS操作來進(jìn)行加鎖和解鎖，只需要簡單的查看對象頭的MarkWord里是否還存有指向當(dāng)前的偏向鎖（在MarkWord中每個對象還有一個偏向鎖標(biāo)志位用來表示當(dāng)前對象是否支持偏向鎖，我們可以使用jvm參數(shù)來設(shè)定偏向鎖）。

關(guān)于偏向鎖的釋放，偏向鎖使用了等到存在競爭時才釋放鎖的機制，所以當(dāng)有其他線程嘗試競爭偏向鎖的時候持有偏向鎖的線程才會釋放鎖。

注意：在java6,7中偏向鎖是默認(rèn)啟動的

輕量級鎖：

輕量級鎖就是在執(zhí)行同步塊之前，jvm會在當(dāng)前線程的棧幀中創(chuàng)建用于存儲鎖記錄的的空間，并將對象頭中的MarkWord復(fù)制到里面，然后線程將嘗試將對象頭內(nèi)的MarkWord替換為指向鎖記錄的指針，如果成功，當(dāng)前線程獲得鎖，如果失敗，表示其他線程競爭鎖，當(dāng)前線程便自旋來獲得鎖。

④鎖的升級：

當(dāng)前線程如果無法試用上面的方法獲得鎖，那么表示當(dāng)前的鎖存在競爭，鎖就會升級為重量級鎖。

輕量級鎖和偏向鎖的區(qū)別：

輕量級鎖是在無競爭的情況下使用CAS操作去消除同步使用的互斥量，而偏向鎖就是在無競爭的情況下把整個同步都去除，連CAS操作都不做！

⑤ java如何實現(xiàn)原子操作：

在了解java是如何實現(xiàn)原子操作之前，我們要知道處理器是如何實現(xiàn)原子操作的：

處理器一般分為兩種方法執(zhí)行原子操作：緩存加鎖和總線加鎖，其中緩存加鎖比較優(yōu)秀而總線加鎖則比較消耗資源。（關(guān)于兩種加鎖的方式我們這里不做過多解釋，具體在操作系統(tǒng)中有詳細(xì)的講解）

java使用（大多數(shù)情況下）循環(huán)CAS實現(xiàn)原子操作，但是使用CAS實現(xiàn)原子操作也會出現(xiàn)下面的一些經(jīng)典的問題：

一）ABA問題

jdk中提供AtomicStampedReference類來解決（提供檢查預(yù)期引用和預(yù)期標(biāo)志）

二）循環(huán)時間長開銷大

無法解決，這個是循環(huán)的通病

三）只能保證一個共享變量的原子操作

jdk中提供一個AtomicReference來解決，將多個共享變量放置在一個類中進(jìn)行CAS操作。

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