1.CAS原理
概述
CAS（Compare-and-Swap），即比较并替换，是一种实现并发算法时常用到的技术，Java并发包中的很多类都使用了CAS技术。CAS也是现在面试经常问的问题，本文将深入的介绍CAS的原理。
CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。
AutomicIntege.incrementAndGet()方法如下:
/**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
getAndAddInt方法解析：拿到内存位置的最新值v，使用CAS尝试修将内存位置的值修改为目标值v+delta，如果修改失败，则获取该内存位置的新值v，然后继续尝试，直至修改成功。
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
源码分析
上面源码分析时，提到最后调用了compareAndSwapInt方法，接着继续深入探讨该方法，该方法在Unsafe中对应的源码如下。
可以看到调用了“Atomic::cmpxchg”方法，“Atomic::cmpxchg”方法在linux_x86和windows_x86的实现如下。
linux_x86的实现：
windows_x86的实现：
Atomic::cmpxchg方法解析：
mp是“os::is_MP()”的返回结果，“os::is_MP()”是一个内联函数，用来判断当前系统是否为多处理器。
- 如果当前系统是多处理器，该函数返回1。
- 否则，返回0。
LOCK_IF_MP(mp)会根据mp的值来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。
- 如果通过mp判断当前系统是多处理器（即mp值为1），则为cmpxchg指令添加lock前缀。
lock cmpxchg - 否则，不加lock前缀。
这是一种优化手段，认为单处理器的环境没有必要添加lock前缀，只有在多核情况下才会添加lock前缀，因为lock会导致性能下降。cmpxchg是汇编指令，作用是比较并交换操作数。
intel手册对lock前缀的说明如下：
- 确保对内存的读-改-写操作原子执行。在Pentium及Pentium之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其他处理器暂时无法通过总线访问内存。很显然，这会带来昂贵的开销。从Pentium 4，Intel Xeon及P6处理器开始，intel在原有总线锁的基础上做了一个很有意义的优化：如果要访问的内存区域（area of memory）在lock前缀指令执行期间已经在处理器内部的缓存中被锁定（即包含该内存区域的缓存行当前处于独占或以修改状态），并且该内存区域被完全包含在单个缓存行（cache line）中，那么处理器将直接执行该指令。由于在指令执行期间该缓存行会一直被锁定，其它处理器无法读/写该指令要访问的内存区域，因此能保证指令执行的原子性。这个操作过程叫做缓存锁定（cache locking），缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销，但是当多处理器之间的竞争程度很高或者指令访问的内存地址未对齐时，仍然会锁住总线。
- 禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序。
- 把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。
上面的第1点保证了CAS操作是一个原子操作，第2点和第3点所具有的内存屏障效果，保证了CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义。
CAS的缺点：
CAS虽然很高效的解决了原子操作问题，但是CAS仍然存在三大问题。
- 循环时间长开销很大。
- 只能保证一个共享变量的原子操作。
- ABA问题。
循环时间长开销很大：我们可以看到getAndAddInt方法执行时，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销。
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来保证原子性。
什么是ABA问题？ABA问题怎么解决？
如果内存地址V初次读取的值是A，并且在准备赋值的时候检查到它的值仍然为A，那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗？
如果在这段期间它的值曾经被改成了B，后来又被改回为A，那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。Java并发包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此，在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性，如果需要解决ABA问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。
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2.Synchronized原理
在 Java 中，关键字 synchronized可以保证在同一个时刻，只有一个线程可以执行某个方法或者某个代码块(主要是对方法或者代码块中存在共享数据的操作)，同时我们还应该注意到synchronized另外一个重要的作用，synchronized可保证一个线程的变化(主要是共享数据的变化)被其他线程所看到（保证可见性，完全可以替代Volatile功能），这点确实也是很重要的。
2.1使用的三种形式
- 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Synchonized括号里配置的对象。
2.2字节码
monitorenter、monitorexit
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。
2.3原理
2.3.1 Java对象内存分布
Java对象内存分布
JVM对于普通对象和数组对象的大小计算方式有所不同，我画了一张图说明：
解释一下其中每个部分：
- Mark Word：存储对象运行时记录信息，占用内存大小与机器位数一样，即32位机占4字节，64位机占8字节
- 元数据指针：指向描述类型的Class对象（Java类的C++对等体）的指针，Class对象包含了实例对象所属类型的元数据，因此该字段被称为元数据指针，JVM在运行时将频繁使用这个指针定位到位于方法区内的类型信息。
- 数组长度：数组对象特有，一个指向int型的引用类型，用于描述数组长度，这个数据的大小和元数据指针大小相同。
- 实例数据：实例数据就是8大基本数据类型byte、short、int、long、float、double、char、boolean（对象类型也是由这8大基本数据类型复合而成），每种数据类型占多少字节就不一一例举了
- 填充：不定，HotSpot的对齐方式为8字节对齐，即一个对象必须为8字节的整数倍，因此如果最后前面的数据大小为17则填充7，前面的数据大小为18则填充6，以此类推
2.3.2 Mark Word
Java对象头里的Mark Word里默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标记位。32位JVM 的Mark Word的默认存储结构如:
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:
在64位虚拟机下，Mark Word是64bit大小的
2.3.3锁的升级
整体的锁升级过程如下：
无锁：
无锁没有对资源进行锁定，所有的线程都能访问并修改同一个资源，但同时只有一个线程能修改成功。
无锁的特点就是修改操作在循环内进行，线程会不断的尝试修改共享资源。如果没有冲突就修改成功并退出，否则就会继续循环尝试。如果有多个线程修改同一个值，必定会有一个线程能修改成功，而其他修改失败的线程会不断重试直到修改成功。上面我们介绍的CAS原理及应用即是无锁的实现。无锁无法全面代替有锁，但无锁在某些场合下的性能是非常高的。
偏向锁
偏向锁是指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取锁的代价。
在大多数情况下，锁总是由同一线程多次获得，不存在多线程竞争，所以出现了偏向锁。其目标就是在只有一个线程执行同步代码块时能够提高性能。
当一个线程访问同步代码块并获取锁时，会在对象头MarkWord和栈帧中的锁记录里存储锁偏向的线程ID里存储锁偏向的线程ID。在线程进入和退出同步块时不再通过CAS操作来加锁和解锁，而是检测Mark Word里是否存储着指向当前线程的偏向锁。引入偏向锁是为了在无多线程竞争的情况下尽量减少不必要的轻量级锁执行路径，因为轻量级锁的获取及释放依赖多次CAS原子指令，而偏向锁只需要在置换ThreadID的时候依赖一次CAS原子指令即可。
1.偏向锁的撤销
偏向锁只有遇到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，线程不会主动释放偏向锁。偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有字节码正在执行），它会首先暂停拥有偏向锁的线程，判断锁对象是否处于被锁定状态。撤销偏向锁后恢复到无锁（标志位为“01”）或轻量级锁（标志位为“00”）的状态。
2.偏向锁的关闭
偏向锁在JDK 6及以后的JVM里是默认启用的。可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，关闭之后程序默认会进入轻量级锁状态。
轻量级锁
是指当锁是偏向锁的时候，被另外的线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，从而提高性能。
在代码进入同步块的时候，如果同步对象锁状态为无锁状态（锁标志位为“01”状态，是否为偏向锁为“0”），虚拟机首先将在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录（Lock Record）的空间，用于存储锁对象目前的Mark Word的拷贝，然后拷贝对象头中的Mark Word复制到锁记录中。
拷贝成功后，虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的Mark Word更新为指向Lock Record的指针，并将Lock Record里的owner指针指向对象的Mark Word。
如果这个更新动作成功了，那么这个线程就拥有了该对象的锁，并且对象Mark Word的锁标志位设置为“00”，表示此对象处于轻量级锁定状态。
如果轻量级锁的更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark Word是否指向当前线程的栈帧，如果是就说明当前线程已经拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步块继续执行，否则说明多个线程竞争锁。
若当前只有一个等待线程，则该线程通过自旋进行等待。但是当自旋超过一定的次数（10次），或者一个线程在持有锁，一个在自旋，又有第三个来访时，轻量级锁升级为重量级锁。
重量级锁
级为重量级锁时，锁标志的状态值变为“10”，此时Mark Word中存储的是指向重量级锁的指针，这时要向操作系统申请申请系统资源，mutex互斥量。此时等待锁的线程都会进入阻塞状态。
综上，偏向锁通过对比Mark Word解决加锁问题，避免执行CAS操作。而轻量级锁是通过用CAS操作和自旋来解决加锁问题，避免线程阻塞和唤醒而影响性能。重量级锁是将除了拥有锁的线程以外的线程都阻塞。
