一、volatile的内存语义
volatile关键字的特性
简而言之，volatile关键字具有以下两个特性：
- 可见性。对一个volatile变量的读，总是能看到（任意线程）对这个变量最后的写入。
- 原子性。对任意**单个**volatile变量的读/写具有原子性，但是类似volatile++这样的操作是不具有原子性的。
- 1. 将当前处理器缓存行的数据会写回到系统内存。
- 2. 这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。
那么Volatile是如何来保证可见性的呢？在x86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来看看对Volatile进行写操作CPU会做什么事情。
| Java代码： | instance = new Singleton();//instance是volatile变量 |
| 汇编代码： | 0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp); |
有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多第二行汇编代码，通过查IA-32架构软件开发者手册可知，lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情。
处理器为了提高处理速度，不直接和内存进行通讯，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1,L2或其他）后再进行操作，但操作完之后不知道何时会写到内存，如果对声明了Volatile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，当处理器要对这个数据进行修改操作的时候，会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。
一个volatile变量的单个读/写操作，与一个普通变量的读/写操作都使用同一个锁来同步，他们之间的执行效果相同。
public class VolatileFeature {
volatile long vl=0l;
public void set(long l){
vl=l;
}
public void getAndIncrement(){
vl++;
}
public long get(){
return vl;
}
}
public class VolatileFeature {
long vl=0l;
public synchronized void set(long l){
vl=l;
}
//由于volatile变量的自增操作是一个复合操作，不能保证原子性
public void getAndIncrement(){
long temp=get();
temp+=1l;
set(temp);
}
public synchronized long get(){
return vl;
}
}使用volatile需要注意的问题
1、volatile关键字不能保证volatile变量复合操作的原子性
public class VolatileCounting {
private static volatile int count=0;
private static void addCount(){
count++;
}
public static void main(String[] args){
int threadCount=1000;
Thread[] threads=new Thread[threadCount];
for(int i=0;i<threadCount;i++){
threads[i]=new Thread(new Runnable(){
@Override
public void run(){
for(int j=0;j<1000;j++){
addCount();
}
}
});
}
for(int i=0;i<threadCount;i++){
threads[i].start();
}
while(Thread.activeCount()>1){
Thread.yield();
}
System.out.println(count);
}
}java内存模型，允许虚拟机将没有被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行。如果有多个线程共享一个并未声明为volatile的long或double类型的变量，并且同时对他们进行读取或修改操作，那么某些线程可能会读取到一个即非原值，也不是其他线程修改值的“中间值”。
long和double占用的字节数都是8，也就是64bits。
在64位操作系统上，JVM中double和long的赋值操作是原子操作。但是在32位操作系统上对64位的数据的读写要分两步完成，每一步取32位数据。这样对double和long的赋值操作就会有问题：如果有两个线程同时写一个变量内存，一个进程写低32位，而另一个写高32位，这样将导致获取的64位数据是失效的数据。因此需要使用volatile关键字来防止此类现象。volatile本身不保证获取和设置操作的原子性，仅仅保持修改的可见性。但是java的内存模型保证声明为volatile的long和double变量的get和set操作是原子的。
3、volatile可以禁止重排序例如，利用volatile可以实现双重检验锁的单例模式。
public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton = null;
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}4. volatile只保证可见性，不保证排他性。
二、synchronize的实现原理
为以下3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。
Synchonized的实现原理：
每个对象有一个监视器锁（monitor）。当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitorenter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：
1、如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。
2、如果线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1.
3.如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。
4. 指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。
- Contention List：竞争队列，所有请求锁的线程首先被放在这个竞争队列中
- Entry List：Contention List中那些有资格成为候选资源的线程被移动到Entry List中
- Wait Set：哪些调用wait方法被阻塞的线程被放置在这里
- OnDeck：任意时刻，最多只有一个线程正在竞争锁资源，该线程被成为OnDeck
- Owner：当前已经获取到所资源的线程被称为Owner
- !Owner：当前释放锁的线程
OnDeck线程获取到锁资源后会变为Owner线程，而没有得到锁资源的仍然停留在 EntryList 中。如果Owner线程被wait方法阻塞，则转移到 WaitSet 队列中，直到某个时刻通过notify或者notifyAll唤醒，会重新进去EntryList中。
三、CAS的原理及问题
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。
CAS通过调用JNI的代码实现的，为compareAndSwapInt方法，而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。
下面从分析比较常用的CPU（intel x86）来解释CAS的实现原理。 下面是sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapInt()方法的源代码：
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \
__asm je L0 \
__asm _emit 0xF0 \
__asm L0:
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
// alternative for InterlockedCompareExchange
int mp = os::is_MP();
__asm {
mov edx, dest
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}CAS的缺点
CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作
1. ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，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。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。
从Java1.5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方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且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。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。
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，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。
concurrent包的实现
由于java的CAS同时具有 volatile 读和volatile写的内存语义，因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式：
- A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
- A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
- A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
- A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别原子指令，这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作，这是在多处理器中实现同步的关键（从本质上来说，能够支持原子性读-改-写指令的计算机器，是顺序计算图灵机的异步等价机器，因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令）。同时，volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：
- 首先，声明共享变量为volatile；
- 然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
- 同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。
AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下
四、AtomicInteger的使用
AtomicInteger，一个提供原子操作的Integer的类。在Java语言中，++i和i++操作并不是线程安全的，在使用的时候，不可避免的会用到synchronized关键字。
而AtomicInteger则通过一种线程安全的加减操作接口。主要用于在高并发环境下的高效程序处理。使用非阻塞算法来实现并发控制。
//获取当前的值
public final int get()
//取当前的值，并设置新的值
public final int getAndSet(int newValue)
//获取当前的值，并自增
public final int getAndIncrement()
//获取当前的值，并自减
public final int getAndDecrement()
//获取当前的值，并加上预期的值
public final int getAndAdd(int delta)五、Lock
1. Lock接口
通过查看Lock的源码可知，Lock 是一个接口：
public interface Lock {
void lock();
void lockInterruptibly() throws InterruptedException; // 可以响应中断
boolean tryLock();
boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException; // 可以响应中断
void unlock();
Condition newCondition();
}Lock lock = ...;
lock.lock();
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
lock.unlock(); //释放锁
}tryLock()方法是有返回值的，它表示用来尝试获取锁，如果获取成功，则返回true；如果获取失败（即锁已被其他线程获取），则返回false，也就是说，这个方法无论如何都会立即返回（在拿不到锁时不会一直在那等待）。
tryLock(long time, TimeUnit unit)方法和tryLock()方法是类似的，只不过区别在于这个方法在拿不到锁时会等待一定的时间，在时间期限之内如果还拿不到锁，就返回false，同时可以响应中断。如果一开始拿到锁或者在等待期间内拿到了锁，则返回true。
一般情况下，通过tryLock来获取锁时是这样使用的：
Lock lock = ...;
if(lock.tryLock()) {
try{
//处理任务
}catch(Exception ex){
}finally{
lock.unlock(); //释放锁
}
}else {
//如果不能获取锁，则直接做其他事情
}lockInterruptibly()方法比较特殊，当通过这个方法去获取锁时，如果线程 正在等待获取锁，则这个线程能够 响应中断，即中断线程的等待状态。例如，当两个线程同时通过lock.lockInterruptibly()想获取某个锁时，假若此时线程A获取到了锁，而线程B只有在等待，那么对线程B调用threadB.interrupt()方法能够中断线程B的等待过程。
由于lockInterruptibly()的声明中抛出了异常，所以lock.lockInterruptibly()必须放在try块中或者在调用lockInterruptibly()的方法外声明抛出 InterruptedException，但推荐使用后者，原因稍后阐述。因此，lockInterruptibly()一般的使用形式如下：
public void method() throws InterruptedException {
lock.lockInterruptibly();
try {
//.....
}
finally {
lock.unlock();
}
}注意，当一个线程获取了锁之后，是不会被interrupt()方法中断的。因为interrupt()方法只能中断阻塞过程中的线程而不能中断正在运行过程中的线程。因此，当通过lockInterruptibly()方法获取某个锁时，如果不能获取到，那么只有进行等待的情况下，才可以响应中断的。与 synchronized 相比，当一个线程处于等待某个锁的状态，是无法被中断的，只有一直等待下去。
2. Lock的实现方法
Lock是纯Java实现的，与底层的JVM无关。在java.util.concurrent.locks包中有很多Lock的实现类，常用的有ReentrantLock、ReadWriteLock（实现类ReentrantReadWriteLock），其实现都依赖java.util.concurrent.AbstractQueuedSynchronizer类（简称AQS），实现思路都大同小异，因此我们以ReentrantLock作为讲解切入点。
AQS是CountDownLatch/FutureTask/ReentrantLock/RenntrantReadWriteLock/Semaphore的基础，因此AQS也是Lock和Excutor实现的基础。它的基本思想就是一个同步器，支持获取锁和释放锁两个操作。
获取锁：首先判断当前状态是否允许获取锁，如果是就获取锁，否则就阻塞操作或者获取失败，也就是说如果是独占锁就可能阻塞，如果是共享锁就可能失败。另外如果是阻塞线程，那么线程就需要进入阻塞队列。当状态位允许获取锁时就修改状态，并且如果进了队列就从队列中移除。
while(synchronization state does not allow acquire){
enqueue current thread if not already queued;
possibly block current thread;
}
dequeue current thread if it was queued;
update synchronization state;
if(state may permit a blocked thread to acquire)
unlock one or more queued threads;1、 状态位必须是原子操作的
2、 阻塞和唤醒线程
3、 一个 有序的队列 ，用于支持锁的公平性
怎么样才能满足这几个条件呢？
1、 原子操作状态位，前面我们已经提到了，实际JDK中也是通过一个 32bit的整数位进行CAS操作 来实现的。
2、 阻塞和唤醒，JDK1.5之前的API中并没有阻塞一个线程，然后在将来的某个时刻唤醒它（wait/notify是基于synchronized下才生效的，在这里不算），JDK5之后利用JNI在 LockSupport 这个类中实现了相关的特性。
3、 有序队列：在AQS中采用CLH队列来解决队列的有序问题。
3. ReentrantLock
ReentrantLock，即 可重入锁。ReentrantLock类实现了Lock和java.io.Serializable接口，其内部有一个实现锁功能的关键成员变量Sync类型的sync。经过源码分析，我们看到ReentrantLock把所有的Lock都委托给Sync类进行处理，该类继承自AQS:
其中Sync又有两个final static的子类NonfairSync和FairSync用于支持非公平锁和公平锁。
AbstractQueuedSynchronizer抽象了大多数Lock的功能，而只把tryAcquire(int)委托给子类进行多态实现。tryAcquire用于判断对应线程是否能够获取锁，无论成功与否，AbstractQueuedSynchronizer都将处理后面的流程。
简单来讲，AQS会把所有请求锁的线程组成一个CLH的队列，当一个线程执行完毕释放锁(Lock.unlock())的时候，AQS会激活其后继节点，正在执行的线程不在队列当中，而那些等待的线程全部处于阻塞状态，经过源码分析，我们可以清楚的看到最终是通过LockSupport.park()实现的，而底层是调用sun.misc.Unsafe.park()本地方法，再进一步，HotSpot在Linux中中通过调用pthread_mutex_lock函数把线程交给系统内核进行阻塞。其运行示意图如下：
与synchronized相同的是，这个也是一个虚拟队列，并不存在真正的队列示例，仅存在节点之前的前后关系。（注：原生的CLH队列用于自旋锁，JUC将其改造为阻塞锁）。和synchronized还有一点相同的是，就是当获取锁失败的时候，不是立即进行阻塞，而是先自旋一段时间看是否能获取锁，这对那些已经在阻塞队列里面的线程显然不公平（非公平锁的实现，公平锁通过有序队列强制线程顺序进行），但会极大的提升吞吐量。如果自旋还是获取失败了，则创建一个节点加入队列尾部，加入方法仍采用CAS操作，并发对队尾CAS操作有可能会发生失败，AQS是采用自旋循环的方法，直到CAS成功。锁的实现依赖与lock()方法，Lock()方法首先是调用acquire(int)方法，不管是公平锁还是非公平锁：
public final void acquire(int arg) {
if (!tryAcquire(arg) && acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
selfInterrupt();
}Sync.NonfairSync.TryAcquire（非公平锁）
nonfairTryAcquire方法是lock方法间接调用的第一个方法，每次调用都会首先调用这个方法，我们来看下对应的实现代码：
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}Sync.FairSync.TryAcquire（公平锁）
公平锁的代码如下所示：
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (isFirst(current) &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}六、区别和比较
①volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法。
使用volatile必须具备以下2个条件：
(1) 对变量的写操作不依赖于当前值
(2) 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。
②volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。
③仅仅使用volatile并不能保证线程安全性。而synchronized则可实现线程的安全性。
④请考虑使用ReentrantLock，特别是遇到下面3种需求的时候。
1.某个线程在等待一个锁的控制权的这段时间需要中断
2.需要分开处理一些wait-notify，ReentrantLock里面的Condition应用，能够控制notify哪个线程
3.具有公平锁功能，每个到来的线程都将排队等候
⑤ CAS和synchronize的区别在于竞争大时冲突概率大，CAS效率和CPU均高于synchronize
⑥ Atomic***和CAS实现机制一样，但是JVM的优化使Atominc***简单且更胜一筹。
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