一、为什么要加锁，要实现同步

多线程编程中，有可能会出现多个线程同时访问同一个共享、可变资源的情况，这个资源我们称之其为临界资源；这种资源可能是：对象、变量、文件等。

共享：资源可以由多个线程同时访问
可变：资源可以在其生命周期内被修改

引出的问题：由于线程执行的过程是不可控的，所以需要采用同步机制来协同对对象可变状态的访问
那么我们怎么解决线程并发安全问题？

实际上，所有的并发模式在解决线程安全问题时，采用的方案都是 序列化访问临界资源。即在同一时刻，只能有一个线程访问临界资源，也称作同步互斥访问。Java 中，提供了两种方式来实现同步互斥访问：synchronized 和 AQS

二、如何实现原子操作

锁主要是保证原子操作，那么如何保证原子操作呢？

第一个机制是通过总线锁保证原子性：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，其它处理器的请求将会倍阻塞住，那么该处理器可以独占共享内存。

第二个机制时通过缓存锁定来保证原子性：总线锁定太耗费资源，所以处理器通过锁LOCK和缓存一致性来保证原子性。

但是如果操作的数据跨缓存行或者处理器不支持缓存锁定，那么就只能用总线锁定。

为了实现上面的两个机制，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，导致其它处理器不能同时访问它。

三、volatile

volatile是如何保证有序性和可见性的，底层原理是啥？

通过插入内存屏障来保证有序性以及缓存一致性原则来保证可见性

1、volatile实现有序性

主要通过对volatile修饰的变量的读写操作前后加上各种特定的内存屏障来禁止指令重排序来保证有序性。

2、volatile实现可见性

主要通过Lock前缀的指令+MESI缓存一致性协议来实现。Lock前缀指令会引起处理器缓存会写到内存。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，当处理器对这个数据进行修改操作的时候，会重新从系统内存中把数据读到处理器缓存里。

缓存一致性协议可以参考：并发(一)、MESI（缓存一致性协议）。

四、sychronized锁原理

synchronized是基于JVM内置锁实现，通过内部对象Monitor(监视器锁)实现，基于进入与退出Monitor对象实现方法与代码块同步，监视器锁的实现依赖底层操作系统的Mutex lock（互斥锁）实现，它是一个重量级锁性能较低。当然，JVM内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。

1、锁粗化（Lock Coarsening）

什么叫做锁粗化呢，假设我们有一个方法又下面的锁

public sychronized void test(){
....
}

然后又个地方的调用逻辑如下

sychronized(obj){
 test();
 test();
 test();
}

那么test上的sychronized将会无效，只会锁在obj上，这就叫做锁粗化。

2、锁消除（Lock Elimination）

什么叫做锁消除呢，如果JVM盘点你的锁的代码段不会发生线程安全问题，则会去除该锁。

3、锁升级

JVM为了提高效率，sychronized不会一开始就加重量级锁，是通过无锁、偏向锁、轻量级锁、重量级锁来一步步升级的，如下图：

4、sychronized原理

Java通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作，而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。而使用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、轻量级锁和重量级锁。轻量级锁是通过循环CAS来实现，即当一个线程项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。重量级锁通过互斥锁（Mutex lock）来实现。

5、操作系统互斥锁和自旋锁的区别

自旋锁通过while循环来阻塞，会消耗CPU资源直到阻塞结束，而互斥锁当调用者发现已经倍使用的时候，会使当前线程睡眠，加入到等待队列，然后去执行别的线程，而不是原地等待，解锁时拿出队头睡眠的进程唤醒即可。

五、AQS

Java并发编程核心在于java.concurrent.util包而juc当中的大多数同步器实现都是围绕着共同的基础行为，比如等待队列、条件队列、独占获取、共享获取等，而这个行为的抽象就是基于AbstractQueuedSynchronizer简称AQS，AQS定义了一套多线程访问共享资源的同步器框架，是一个依赖状态(state)的同步器。AQS具备特性

o阻塞等待队列
o共享/独占
o公平/非公平
o可重入
o允许中断

通过ReentrantLock类的源码我们可以大概知道，底层主要通过CAS自旋来保证并发，当一个线程获取锁的时候，会通过自旋CAS（CAS操作利用处理器提供的CMPXCHG指令实现）来获取锁，如果获取锁失败，那么会加入以恶搞阻塞队列，此时会调用Unsafe.park暂停该线程，该native方法会调用操作系统提供的接口对线程进行暂停，然后解锁的时候会调用Unsafe.unpark方法唤醒线程，所以就完美的实现了锁。

六、总结

实现有序性一般是通过内存屏障，实现可见性一般使是通过缓存一致性协议，实现原子性通过各种LOCK#指令：通过自旋CAS和互斥锁等。

个人以及参考网上的理解，有问题望指正！

参考：Java并发编程的艺术