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最近在看《并发编程的艺术》这本书，希望能加深对并发领域的理解。书中第二章重点介绍了Java并发机制的底层实现原理，特别是volatile、synchronized以及原子操作等关键机制。本文将围绕这些内容进行详细记录。
在单核或多核处理器中，多线程执行的本质是通过时间片轮-robin机制来实现的。每个线程都能获得一定的CPU时间段来执行任务。当一个任务完成自己的时间片后，就会切换到下一个任务。但在切换前，系统会保存当前任务的状态，以便切换后能够恢复到正确的上下文。
这种状态保存与恢复的过程被称为上下文切换。需要注意的是，上下文切换并非百分之百免费。创建线程、切换线程状态等操作都需要一定的开销，甚至在某些情况下，线程切换比单线程执行还要慢。这也说明并发编程并不是简单的快与慢的问题。
为了减少上下文切换的开销，可以采用以下策略：
无锁并发编程：通过将任务分成独立的段处理，每个线程负责特定的数据段。这种方法可以避免锁竞争带来的线程切换开销。
使用CAS算法：Java的Atomic包中的CAS操作可以在不加锁的情况下进行原子性更新，减少线程切换的开销。
优化线程数量：避免过度创建线程。特别是当任务量稀少时，过多的线程可能会导致大部分线程处于等待状态。
协程：协程是一种在单线程内通过调度实现多任务并行的方式，能够在不引入线程切换的前提下实现并发。
volatile关键字在Java中具有特殊的内存模型特性。任何访问volatile变量的线程都能看到该变量的最新值。这是因为volatile变量的写操作会触发缓存一致性机制，确保所有线程能够看到一致的值。
当一个volatile变量进行写操作时，JVM会在生成的机器指令中插入Lock前缀指令。这个指令的作用是：
写回内存：将处理器缓存中的数据写回系统内存。
缓存锁定：使用缓存一致性机制，确保其他处理器在读取该内存地址时会发现缓存无效，从而必须重新从内存读取最新数据。
这种机制保证了volatile变量的可见性和一致性，避免了多线程竞读或写入带来的数据不一致问题。
synchronized在Java中通过Monitor对象实现方法和代码块的同步。具体来说：
代码块同步：使用monitorenter和monitorexit指令。monitorenter会在进入同步代码块时尝试获取Monitor对象的所有权，monitorexit则会在退出时释放Monitor对象的所有权。
方法同步：在方法执行和异常处插入monitorenter和monitorexit指令，确保方法执行时的同步性。
JVM会为每个对象分配一个Monitor对象。当一个线程尝试进入同步代码块时，会请求Monitor的所有权。如果Monitor已经被持有，JVM会等待当前持有Monitor的线程释放锁，才能继续执行。
synchronized锁是存在于Java对象头中的。Java对象头由以下三部分组成：
Mark Word：用于标记对象的状态，包括是否为活性对象、是否为偏向锁等信息。
指向类的指针：指向类的Class对象，用于垃圾回收等场景。
数组长度：对于数组对象，存储数组的长度。
在深入理解synchronized机制之前，了解对象头的结构是非常重要的。
在Java SE 1.6中，锁被进一步优化为四种状态：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态。这些状态会根据竞争情况自动升级。
偏向锁是为减少锁的获取和释放代价而引入的。在大多数情况下，锁的竞争非常少，甚至可能只在同一个线程之间进行。偏向锁通过在栈帧中存储偏向锁的线程ID来减少锁的获取和释放开销。
轻量级锁在竞争激烈时会升级为重量级锁。轻量级锁的加锁和解锁是通过循环CAS实现的。具体来说：
加锁：尝试使用CAS将Mark Word替换为锁记录的指针。如果成功，线程获得锁；如果失败，线程会自旋直到成功。
解锁：尝试将锁记录的指针替换回Mark Word。如果成功，锁被释放；如果失败，锁会膨胀为重量级锁。
锁的实现机制虽然高效，但也有其局限性。重量级锁的获取和释放开销较大，且锁竞争会导致线程等待。轻量级锁虽然减少了锁的获取和释放开销，但在竞争激烈时会升级为重量级锁，增加了调度开销。
原子操作是保证多个操作原子性完成的关键机制。在处理器层面，原子操作主要通过总线锁和缓存锁实现。
总线锁：通过LOCK#信号确保在总线上独占内存访问。
缓存锁：在缓存一致性机制的帮助下，确保缓存操作的原子性。
Java中的原子操作可以通过循环CAS实现。CAS操作虽然简单，但也面临着ABA问题、自旋开销大以及只能操作单个变量等挑战。
对于多个共享变量的原子操作，Java通常会使用锁机制。对于单个共享变量，JVM可以通过循环CAS实现原子操作。这种实现方式既保证了原子性，又尽量减少了锁的使用。
本文内容主要参考自《Java并发编程的艺术》。
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