一、volatile 的应用
volatile 是轻量级的 synchronized ，保证了共享变量的“可见性”。它比所以你 synchronized 运行成本低。“可见性”指的是一个线程在修改变量时，另一个线程可以读到这个值。而且它不会引起线程上下文的切换和调度。
1、volatile的定义与实现原理
Java 语言规范对 volatile 的定义如下：Java 编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能够被准确和一致性地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java 语言提供了 volatile 关键字，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成了 volatile，Java 线程内存模型确保所有的线程看到这个变量的值都是一致的。
与 volatile 其实现原理相关的 CPU 术语与说明
（1）volatile 保证可见性
● 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存中去；
● 这个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；
为了提高处理速度，处理器不直接和内存进通信，而是先将系统内存的数据读到内部缓存中（L1，L2 或者其他）后再进行操作，但操作完后不知道何时会写到内存中去。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，将这个变量所在的缓存行写回到系统内存中去。但是就算写回到内存中，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后，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实时，会从系统内存中把数据读到处理器缓存中去。
（2）volatile关键字的两条实现原则
● Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存中去。
● 一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。
2、volatile的使用优化
JDK 7 的并发包里新增一个队列集合类 LinkedTransferQueue，它在使用 volatile 变量时，用一种追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能。
LinkedTransferQueue 它使用一个内部类类型来定义队列的头节点（head）和尾节点（tail），而这个内部类 PaddedAtomicReference 相对于父类 AtomicReference 只做了一件事情，就是将共享变量追加到 64 字节。一个对象的引用占 4 个字节，它追加了 15 个变量（共占 60 个字节），再加上父类的 value 变量，一共 64 个字节。
（1）为什么追加64字节能够提高并发编程的效率呢？
因为对于英特尔酷睿 i7、酷睿等处理器的 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。Doug lea
使用追加到 64 字节的方式来填满高速缓冲区的缓存行，避免头节点和尾节点加载到同一个缓存行，使头、尾节点在修改时不会互相锁定。
（2）那么是不是在使用 volatile 变量时都应该追加到64字节呢？
在两种场景下不应该使用这种方式：
● 缓存行非 64 字节宽的处理器；
● 共享变量不会被频繁地写；
二、synchronized 的实现原理与应用
在多线程并发编程中，Synchronized 关键字是元老级别的角色，很多人都称呼它为重量级锁。但是由于加锁是一个非常耗时的操作，并且对于锁的获取和释放也会带来极大的性能开销。因此 Java SE 1.6 中为了减少锁的释放和获取带来的性能开销而引入了偏向锁和轻量级锁机制，以及锁的存储结构和升级过程。下面我们来仔细探讨 Synchronized 关键字的具体实现原理。
Synchronized实现同步的基础：Java 中的每一个对象都可以作为锁。具体可以表现为以下三种形式：
● 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 括号里面配置的对象。
当一个线程试图访问同步代码块时，它首先必须得到锁，退出或抛出异常时必须释放锁。
从 JVM 规范中可以看到 synchonized 在 JVM 里的实现原理，JVM 基于进入和退出 Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步，但两者的实现细节不一样。
代码块同步是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，而方法同步是使用另外一种方式实现的，细节在 JVM 规范里并没有详细说明。但是，方法的同步同样可以使用这两个指令来实现。monitorenter 指令是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，JVM 要保证每个 monitorenter 必须有对应的 monitorexit 与之配对。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。
1、Java 对象头
synchronized用的锁是存在于Java对象头中的。如果对象时数组类型，则虚拟机使用3个字宽存储对象头，因为除了存储数组自身运行时数据与类型指针外，还需要存储记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据确定Java对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组大小。 如果对象是非数组类型，则用2字宽存储对象头。在32位虚拟机中1字宽等于4字节，即32bit，如表2-2所示。
（1）无锁状态当 Java 对象头处于无锁状态的时候。Java对象头里面的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位置。32位的JVM的默认存储结构如下图所示：
（2）运行期间在运行期间，Mark Word里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化，Mark Word可能变化为存储以下4种数据，如表2-4所示。
2、锁的升级和对比
Java SE 1.6为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗，引入了“偏向锁”和“轻量级锁”，在Java SE 1.6中，锁一共有4种状态，从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级，锁可以升级但不能降级。这种锁升级却不能降级的策略，目的是为了提高获得锁和释放锁的效率。
（1）偏向锁
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，以后该线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Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。如果测试成功，表示线程已经获得了锁。如果测试失败，则需要再测试一下Mark Word中偏向锁的标识是否设置成1（表示当前是偏向锁）：如果没有设置，则使用CAS竞争锁；如果设置了，则尝试使用CAS将对象头的偏向锁指向当前线程。
① 偏向锁的撤销
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。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。图2-1中的线程1演示了偏向锁初始化的流程，线程2演示了偏向锁撤销的流程：
② 关闭偏向锁
偏向锁在 Java 6和 Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，可以使用 JVM 参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。可以通过 JVM 参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态。
（2）轻量级锁
① 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桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中，官方称为 Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的 Mark Word 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。
② 轻量级锁解锁
轻量级解锁时，会使用原子的 CAS 操作将 Displaced Mark Word 替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。
图2-2是两个线程同时争夺锁，导致锁膨胀的流程图。
（3）重量级解锁
因为自旋会消耗CPU，为了避免没有必要的自旋（比如获得锁的线程被阻塞了），
一旦锁升级成为了重量级锁之后，就不会再恢复到轻量级锁的状态。当锁处于重量级锁的状态下，其他线程试图获取锁时候，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁的之后，会唤醒这些线程。
（4）锁的优缺点对比
三、原子操作的实现原理
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”。
术语定义
1、处理器实现原子操作
32 位 IA-32 处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。
首先，处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。处理器保证从系统内存中读取或者写入一个字节是原子的，意思是当一个处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字节的内存地址。Pentium 6 和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64位的操作是原子的，但是复杂的内存操作处理器是不能自动保证其原子性的，比如跨总线宽度、跨多个缓存行和跨页表的访问。但是，处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内存操作的原子性。
（1）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。如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作（i++就是经典的读改写操作），那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的，操作完之后共享变量的值会和期望的不一致。 处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。
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，那么该处理器可以独占共享内存。
（2）使用缓存锁保证原子性
第二个机制是通过缓存锁定来保证原子性。在同一时刻，我们只需保证对某个内存地址的操作是原子性即可，但总线锁定把CPU和内存之间的通信锁住了，这使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定的开销比较大，目前处理器在某些场合下使用缓存锁定代替总线锁定来进行优化。
频繁使用的内存会缓存在处理器的L1、L2和L3高速缓存里，那么原子操作就可以直接在处理器内部缓存中进行，并不需要声明总线锁，在Pentium 6和目前的处理器中可以使用“缓存锁定”的方式来实现复杂的原子性。缓存锁定是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在Lock操作期间被锁定，那么当它执行锁操作回写到内存时，处理器不在总线上声言LOCK＃信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制会阻止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的缓存行的数据时，会使缓存行无效。
但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定：
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（cache line）时，则处理器会调用总线锁定。
② 有些处理器不支持缓存锁定。对于Intel 486和Pentium处理器，就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。
针对以上两个机制，我们通过Intel处理器提供了很多Lock前缀的指令来实现。例如，位测试和修改指令：BTS、BTR、BTC；交换指令XADD、CMPXCHG，以及其他一些操作数和逻辑指令（如ADD、OR）等，被这些指令操作的内存区域就会加锁，导致其他处理器不能同时访问它。
2、Java 实现原子操作
在Java中可以通过锁和循环 CAS 的方式来实现原子操作。
乐观锁用到的机制就是CAS，Compare and Swap。
CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。
（1）使用循环CAS实现原子操作
JVM 中的 CAS 操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。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。
从Java 1.5开始，JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作，如AtomicBoolean（用原子方式更新的boolean值）、AtomicInteger（用原子方式更新的int值）和AtomicLong（用原子方式更新的long值）。这些原子包装类还提供了有用的工具方法，比如以原子的方式将当前值自增1和自减1。
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。
ABA问题的解决思路就是使用版本号。从Java
1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
②循环时间长开销大自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。
③只能保证一个共享变量的原子操作。
当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。
从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。
（2）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。JVM内部实现了很多种锁机制，有偏向锁、轻量级锁和互斥锁。有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。
