volatile的作用和原理
如果一个字段被声明成volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值一样的。
首先了解cpu和内存交互模型，可参考三级缓存部分。此外再理解几个术语：
内存屏障：本质是一组处理器指令，用于对内存操作的顺序限制
缓冲行：缓存行，缓存中可分配的最小存储单位
缓存行填充：当处理器识别到从内存中读取操作数是可缓存的，处理器读取整个缓存行到适当的缓存（L1、L2、L3或所有）
缓存命中：高速缓存有对应值，则下次操作从高速缓存中取值，不需要从内存读取
写命中：CPU写处理结果时，先不直接往内存写，而是看下三级缓存里面有没有对应缓存行，如果有，优先往高速缓存里面写
写缺失：一个有效的缓存行被写入到不存在的内存区域
volatile的字节码原理
对于创建一个volatile变量，字节码如下：
0x01a3de1d: movb $0×0,0×1104800(%esi);0x01a3de24: lock addl $0×0,(%esp);即有一个lock指令，这个指令的作用是：
强制处理器缓存行的数据写回系统内存
这个写回操作会使其他CPU里缓存了该地址的数据无效
这里使其他CPU无效的方法就是总线嗅探和MESI原则，在写回的时候通过总线发送消息变更其他CPU里面对应数据的状态
MESI=modified+exclusive+shared+invalidated，具体可以参考三级缓存部分。
这里其实是volatile支持了内存模型的可见性。此外volatile还支持有序性。但是volatile并不支持原子性。
synchronized的作用和原理
synchronized是重量级锁，锁机制：
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class对象
对于同步方法块，锁是synchonized括号里面配置的对象
synchronized对同步方法块的锁是通过monitor字节码实现的。monitor的方法块前面加一个monitorenter，后面加一个monitorexit，线程执行到monitorenter，将持有下面代码块的monitor，且必须先有一个monitorexit与之对应。
java对象头
java对象头有三部分：Mark Word、Class Metadata Address、Array length
在32位/64位JVM中Mark Word分别为32bit/64bit，Class Metadata Address一样，而Array length固定32bit
锁类型与升级
锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态，这几个状态会随着竞争情况逐渐升级，但是不能降级
不同状态的锁，java对象头的Mark Word就会有差别：
偏向锁
获取：适应竞争极少的情况，这种情况一般都是一个线程持续获取锁，为了节省开销
释放：这个级别的锁一般不自行释放，除非有人竞争，下次来只需要判断一下Mark Word中偏向锁的线程id是自己，就可以继续用，也省去了CAS的加锁释放锁流程。
轻量级锁
获取：JVM会在当前线程栈帧中创建专门的空间用于存储锁记录，同时执行CAS操作将对象头中的Mark Word进行指针替换到当前线程，成功才能获取锁，失败的话表示有竞争，失败的线程开始自旋，但是对cpu性能有一定影响
释放：轻量级锁通过CAS操作回滚对象头，如果发生竞争，膨胀为重量级锁，因为轻量级锁要自旋，有性能影响，如果锁竞争激烈，升级到重量级了，就不自旋了，直接阻塞。
重量级锁
获取：获取不到锁的，不再自旋，也不消耗CPU，而是直接阻塞线程，响应时间就变慢了
锁抢占与Mark Word变化
当没有被当成锁时，这就是一个普通的对象，Mark Word记录对象的HashCode，锁标志位是01，是否偏向锁那一位是0。
当对象被当做同步锁并有一个线程A抢到了锁时，锁标志位还是01，但是否偏向锁那一位改成1，前23bit记录抢到锁的线程id，表示进入偏向锁状态。
当线程A再次试图来获得锁时，JVM发现同步锁对象的标志位是01，是否偏向锁是1，也就是偏向状态，Mark Word中记录的线程id就是线程A自己的id，表示线程A已经获得了这个偏向锁，可以执行同步锁的代码。
当线程B试图获得这个锁时，JVM发现同步锁处于偏向状态，但是Mark Word中的线程id记录的不是B，那么线程B会先用CAS操作试图获得锁，这里的获得锁操作是有可能成功的，因为线程A一般不会自动释放偏向锁。如果抢锁成功，就把Mark Word里的线程id改为线程B的id，代表线程B获得了这个偏向锁，可以执行同步锁代码。如果抢锁失败，则继续执行步骤5。
偏向锁状态抢锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。JVM会在当前线程的线程栈中开辟一块单独的空间，里面保存指向对象锁Mark Word的指针，同时在对象锁Mark Word中保存指向这片空间的指针。上述两个保存操作都是CAS操作，如果保存成功，代表线程抢到了同步锁，就把Mark Word中的锁标志位改成00，可以执行同步锁代码。如果保存失败，表示抢锁失败，竞争太激烈，继续执行步骤6。
轻量级锁抢锁失败，JVM会使用自旋锁，自旋锁不是一个锁状态，只是代表不断的重试，尝试抢锁。从JDK1.7开始，自旋锁默认启用，自旋次数由JVM决定。如果抢锁成功则执行同步锁代码，如果失败则继续执行步骤7。
自旋锁重试之后如果抢锁依然失败，同步锁会升级至重量级锁，锁标志位改为10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会被阻塞。
原子操作的原理
原子操作就是不能被分割的一个或一系列操作。原子操作的相关术语包括：
比较并交换：Compare and Swap，即CAS操作，两个数值，先比较操作期间旧值是否有变化，没有才交换成新值
内存顺序冲突：由假共享引起的，即多个CPU同时修改一个缓存行的不同部分而引起其中一个CPU的操作无效。当出现内存顺序冲突，CPU必须清空流水线。
处理器如何实现原子操作
总线锁
例如多线程同时对一个变量i，执行i++操作，是非原子的，两个CPU可能产生冲突，不加锁可能就得到一个错误数据
这个时候可以使用volatile，使i增加一个LOCK指令，要求CPU改写前先进行总线广播
缓存锁
三级缓存里面，L1、L2、L3中，L3是核心间共享的，L1和L2是核心独享的。如果只针对缓存做锁定，可以减少对内存和总线锁定产生的压力。缓存锁阻止同时修改两个以上处理器缓存的内存区域数据。其他处理器写回操作会使缓存行无效。
java如何实现原子操作
JVM使用CAS实现原子操作，例如AtomicInteger，是通过处理器的CMPXCHG指令+循环自旋实现的。例如CompareAndSet，不断判断老值未发生变化才做修改，如果变化了，不断自旋获取。
但是CAS实现原子操作也有问题：
ABA问题：比如老值从A变成B变成A，也会判断不变。
循环时间长开销大：CAS自旋不成功，会给CPU产生压力
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