Volatile

• 确保可见性，比 synchronized 更加轻量级，不会引起线程上下文切换和调度。
• 具体实现：Lock 前缀的汇编代码指令。
  • 将当前处理器缓存的数据写回到系统内存，锁缓存而非锁总线。
  • 通过嗅探确保缓存一致性，回写操作致使其他处理器缓存无效
• 使用优化：将共享变量追加到 64 字节，避免头节点和尾节点加载到同一个缓存行而互相锁定。
  • 部分追加字节方式可能不生效，Java 7 之后会淘汰无用字段。

Synchronized

• Java 中每一个对象都可以作为锁。
  • 普通方法，锁是当前实例对象。
  • 静态方法，锁是当前类的 Class 对象。
  • 方法块，锁是 Synchronized 括号里配置的对象。
• 锁消除和锁粗化。
• 同步块的实现使用了 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，同步方法则是依靠方法修饰符 ACC_SYNCHRONIZED，本质上是对一个对象的监视器（monitor）进行获取，且该获取过程是排他的。
• Mark Word：默认存储对象的 hashcode、分代年龄和锁标记位。
  • 当一个对象已经计算过 hashcode，它就无法进入偏向锁状态。
  • 当一个对象正处于偏向锁状态，且需要计算 hashcode 时，偏向锁膨胀为重量级锁。
  • 线程执行同步块前，JVM 会在该线程栈帧创建存储锁记录的空间，并将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中。
• 锁可以升级但不能降级，以提高释放和获得锁的效率。
  • 偏向锁：等待竞争才释放锁的机制。
    • 检查对象头是否存储了线程 ID。
    • 检查偏向锁标记。
    • CAS 替换 Mark Word。
      • CAS：比较并交换，乐观锁的典型实现。
    • 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。
• 轻量级锁：其他线程通过自旋获取锁，省去阻塞的时间空间消耗，但多个线程自旋或长时间自旋开销更大，膨胀为重量级锁，轻量级锁适用于整数自增等执行非常快的场景。

原子操作实现

• 总线锁：使用处理器提供的一个 LOCK # 信号，阻塞其他处理器的请求，独占共享内存。
• 缓存锁：借助缓存一致性，优化总线锁中其它处理器无法操作其他内存地址，从而开销较大的问题。
  • 操作的数据不能被缓存在处理器内部，或操作数据跨多个缓存行时，调用总线锁。
• CAS 实现原子操作的三大问题。
  • ABA 问题：CAS 检查将认为其未发生变化，通过追加版本号的方式解决，JDK 的 Atomic 包提供了一个类 AtomicStampedReference。
  • 循环时间长开销大：借助处理器提供的 pause 指令提升效率。
  • 只能保证一个共享变量的原子操作：用锁或把多个共享变量合并为一个共享变量，JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性。