Java代碼編譯后會(huì)變成Java字節(jié)碼辈毯，字節(jié)碼被類加載器加載到JVM里仪芒，JVM執(zhí)行字節(jié)碼啃炸，最終需要轉(zhuǎn)化為匯編指令在CPU上執(zhí)行，Java中所使用的并發(fā)機(jī)制依賴于JVM的實(shí)現(xiàn)和CPU的指令融击，現(xiàn)在我們一起來探索下Java并發(fā)機(jī)制的底層實(shí)現(xiàn)原理拇涤，主要內(nèi)容有volatile惩坑、synchronized、原子操作實(shí)現(xiàn)原理。

（1）volatile

當(dāng)變量被定位volatile之后，它將具備兩種特性：
可見性：保證此變量對(duì)所有線程的可見性狭魂，可見性指當(dāng)一條線程修改了這個(gè)變量的值之后，新值對(duì)于其他線程來說是可以立即得知的。而普通變量的值在線程之間傳遞需要通過主內(nèi)存來完成。
指令重排序：第二個(gè)語義就是禁止指令重排序。volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1）當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時(shí)论巍，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對(duì)后面的操作可見郑现；在其后面的操作肯定還沒有進(jìn)行湃崩；
2）在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí)攒读，不能將在對(duì)volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行邓梅，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。
問題一：volatile如何保證可見性？
即一個(gè)線程修改了值尸红，另外一個(gè)線程可以立馬可見吱涉，java內(nèi)存模型對(duì)volatile變量的操作指定如何規(guī)則來保證可見性：
（1）每次使用變量前都必須先從主內(nèi)存刷新最新的值，用于保證能看見其他線程對(duì)變量v所做的修改级乐；（這個(gè)寫回內(nèi)存的操作會(huì)導(dǎo)致在其它CPU里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效）
（2）在工作內(nèi)存中，每次修改變量都必須立即同步回主內(nèi)存中县匠，用于保證其他線程可以看到自己對(duì)變量的修改风科；
問題二：volatile如何禁止指令重排序？
觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒有加入volatile關(guān)鍵字時(shí)所生成的字節(jié)碼發(fā)現(xiàn)乞旦，加入volatile關(guān)鍵字時(shí)贼穆，會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令，lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障兰粉，在volatile修飾的變量進(jìn)行賦值后故痊，會(huì)添加lock操作（內(nèi)存屏障），內(nèi)存屏障會(huì)提供3個(gè)功能：
1）它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置玖姑，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面愕秫；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成焰络；
2）它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫入主存戴甩；
3）如果是寫操作，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對(duì)應(yīng)的緩存行無效闪彼。
簡(jiǎn)單例子：

//x甜孤、y為非volatile變量
//flag為volatile變量
x = 2;        //語句1
y = 0;        //語句2
flag = true;  //語句3
x = 4;         //語句4
y = -1;       //語句5

由于flag變量為volatile變量，那么在進(jìn)行指令重排序的過程的時(shí)候畏腕，不會(huì)將語句3放到語句1缴川、語句2前面，也不會(huì)講語句3放到語句4描馅、語句5后面把夸。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的流昏。并且volatile關(guān)鍵字能保證扎即，執(zhí)行到語句3時(shí)吞获，語句1和語句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語句1和語句2的執(zhí)行結(jié)果對(duì)語句3谚鄙、語句4各拷、語句5是可見的。
新例子：

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2
 
//線程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

指令重排序會(huì)導(dǎo)致語句2會(huì)在語句1之前執(zhí)行闷营，那么就可能導(dǎo)致context還沒被初始化烤黍，而線程2中就使用未初始化的context去進(jìn)行操作，導(dǎo)致程序出錯(cuò)傻盟。這里如果用volatile關(guān)鍵字對(duì)inited變量進(jìn)行修飾速蕊，就不會(huì)出現(xiàn)這種問題了，因?yàn)楫?dāng)執(zhí)行到語句2時(shí)娘赴，必定能保證context已經(jīng)初始化完畢规哲。

（二）synchronized的實(shí)現(xiàn)原理

synchronized有三種使用形式，修飾同步方法（靜態(tài)方法和實(shí)例方法）和修飾代碼塊诽表。使用javap查看字節(jié)碼唉锌，發(fā)現(xiàn)對(duì)于同步方法，JVM采用ACC_SYNCHRONIZED標(biāo)記符來實(shí)現(xiàn)同步竿奏。對(duì)于同步代碼塊袄简。JVM采用monitorenter、monitorexit兩個(gè)指令來實(shí)現(xiàn)同步泛啸。synchronized使用場(chǎng)景如下圖所示：

synchronized使用場(chǎng)景.png

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MarkWord是實(shí)現(xiàn)偏向鎖和輕量級(jí)鎖的關(guān)鍵.其中Mark Word在默認(rèn)情況下存儲(chǔ)著對(duì)象的HashCode甥雕、分代年齡、鎖標(biāo)記位等胀茵，以下是32位JVM的Mark Word默認(rèn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如下圖所示:

image

由于對(duì)象頭的信息是與對(duì)象自身定義的數(shù)據(jù)沒有關(guān)系的額外存儲(chǔ)成本社露，因此考慮到JVM的空間效率，Mark Word 被設(shè)計(jì)成為一個(gè)非固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)琼娘，以便存儲(chǔ)更多有效的數(shù)據(jù)峭弟，它會(huì)根據(jù)對(duì)象本身的狀態(tài)復(fù)用自己的存儲(chǔ)空間在運(yùn)行期間，MarkWork里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化脱拼，Mark Word可能變化為存儲(chǔ)以下四種數(shù)據(jù)瞒瘸，如下圖所示：

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（三）原子操作的實(shí)現(xiàn)原理

Java中可以通過CAS和鎖來實(shí)現(xiàn)原子操作。
在java.util.concurrent.atomic包下熄浓，一系列以Atomic開頭的包裝類情臭。例如AtomicBoolean，AtomicInteger赌蔑，AtomicLong俯在。它們分別用于Boolean，Integer娃惯，Long類型的原子性操作跷乐，atomic操作的底層實(shí)現(xiàn)正是利用的CAS機(jī)制、原子類是通過 Unsafe 類中的 CAS 指令從硬件層面來實(shí)現(xiàn)線程安全的趾浅。
CAS機(jī)制：當(dāng)中使用了3個(gè)基本操作數(shù)：內(nèi)存地址V愕提，舊的預(yù)期值A(chǔ)，要修改的新值B潮孽。更新一個(gè)變量的時(shí)候，只有當(dāng)變量的預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存地址V當(dāng)中的實(shí)際值相同時(shí)筷黔，才會(huì)將內(nèi)存地址V對(duì)應(yīng)的值修改為B往史。
CAS原理：CAS操作會(huì)調(diào)用Unsafe類里邊的compareAndSwapInt（）和compareAndSwapLong（）等幾個(gè)方法，虛擬機(jī)內(nèi)部對(duì)這些方法做了特殊處理佛舱，即編譯出來的結(jié)果對(duì)應(yīng)一條平臺(tái)相關(guān)的處理器CAS指令椎例，即比較交換操作是一個(gè)原子操作。JVM中CAS操作利用了處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)请祖。
CAS在并發(fā)機(jī)制中的重要性：
1.Java中Lock鎖的同步狀態(tài)存放在AQS中订歪，使用一個(gè)int成員變量來表示同步狀態(tài)，通過CAS來修改同步狀態(tài)肆捕，從而保證并發(fā)安全性刷晋。
2.Java中原子操作類底層也是通過CAS來實(shí)現(xiàn)的。
3.sychronized鎖機(jī)制也是基于CAS來實(shí)現(xiàn)的，synchronized使用的鎖存放在Java對(duì)象頭中眼虱，在運(yùn)行期間對(duì)象頭中的Mark Word里存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)隨著鎖標(biāo)志位的變化而變化喻奥，synchronized在獲取鎖的時(shí)候，使用CAS來修改Mark Word捏悬，從而來獲取鎖撞蚕，即一個(gè)線程想進(jìn)入同步塊的時(shí)候需要使用CAS來獲取鎖，同時(shí)當(dāng)它退出同步塊的時(shí)候需要使用CAS來釋放鎖过牙。從這個(gè)角度來看甥厦，synchronized實(shí)際同步鎖也是基于CAS來實(shí)現(xiàn)。