并发编程中的三大问题

原子性问题（Atomicity）：
- 定义： 保证一个操作是不可中断的，要么全部执行成功，要么全部不执行。
- 问题： 当多个线程同时执行一组操作时，可能出现一部分操作已经执行而另一部分没有执行的情况，导致数据不一致性。
可见性问题（Visibility）：
- 定义： 一个线程对共享变量的修改能够及时被其他线程看到。
- 问题： 当一个线程修改了共享变量的值，其他线程可能无法立即感知到这个变化，从而导致数据的不一致性。
有序性问题（Ordering）：
- 定义： 确保程序执行的顺序与代码的书写顺序一致。
- 问题： 由于编译器的优化或硬件的乱序执行，代码的执行顺序可能与预期不一致，导致意外的结果。

JMM（Java Memory Modle）

Java内存模型，是Java虚拟机规范中所定义的一种内存模型，Java内存模型是标准化的，屏蔽掉了底层不同计算机的区别。它是一套规范，描述了Java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则，以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取变量这样的底层细节。Java内存模型是一套在多线程读写共享数据时，对共享数据的可见性、有序性、和原子性的规则和保障。

主内存：是所有线程都共享的，都能访问的。所有的共享变量都存储于主内存。
工作内存：每一个线程有自己的工作内存，工作内存只存储该线程对共享变量的副本。线程对变量的所有的操作(读，取)都必须在工作内存中完成，而不能直接读写主内存中的变量，不同线程之间也不能直接访问对方工作内存中的变量。
JMM是一种抽象的逻辑概念，Java内存模型和计算机硬件内存架构是一个相互交叉的关系，是一种抽象概念划分与真实物理硬件的交叉

JMM中主内存与工作内存之间的数据交互过程

Java内存模型中定义了以下8种操作来完成，主内存与工作内存之间具体的交互协议，即一个变量如何从主内存拷贝到工作内存、如何从工作内存同步回主内存之类的实现细节，虚拟机实现时必须保证下面提及的每一种操作都是原子的、不可再分的。
分别是lock、read、load、use、assign、store、write、unlock
1.如果对一个变量执行lock操作，将会清空工作内存中此变量的值
2.对一个变量执行unlock操作之前，必须先把此变量同步到主内存中

synchronized与三大特性

synchronized可以保证原子性、有序性、可见性，其中有序性和可见性是通过JMM规范的八个命令中的lock和unlock命令保证的

原子性（Atomicity）：
- synchronized 保证了代码块或方法中的所有操作要么全部执行成功，要么全部失败，不会被其他线程中断。当一个线程获得锁时，它将独占锁，其他线程必须等待释放锁后才能继续执行。
可见性（Visibility）：
- 当一个线程获得锁进入 synchronized 代码块时，它会清空工作内存中的共享变量副本，强制从主内存中重新读取共享变量的值。同样，线程在释放锁的时候会将修改后的值刷新回主内存，这样其他线程能够感知到这些变化。这确保了对共享变量的修改对其他线程可见。
有序性（Ordering）：
- as-if-serial：不管编译器和CPU如何重排序，必须保证在单线程情况下程序的结果是正确的。也就是逻辑上有先后关系的代码不会被重排序，例如a=1,b=2,c=a+b可能被重排序为b=2,a=1,c=a+b，但不可能被重排序为a=1,c=a+b,b=2
- synchronized 保证了线程进入和退出临界区的有序性。即，一个线程在释放锁之前，必须把修改过的变量刷新到主内存，而获取锁的线程要求从主内存中读取变量的最新值。这就确保了线程之间的有序性，防止了乱序执行。

特性

可重入锁

一个线程在持有锁的情况下，可以再次获取相同的锁，而不会造成死锁。这是通过为每个锁关联一个持有者线程和一个计数器来实现的。当一个线程第一次获取锁时，计数器为1，每次递归获取锁，计数器递增。只有当计数器降为零时，锁才会被释放。这确保了线程可以多次进入同一个 synchronized 代码块，而不会发生死锁。可重入锁是一种提高程序灵活性和避免死锁的设计。

不可中断

不可中断：一个线程获得锁后，另一个线程想要获得锁，必须处于阻塞或等待状态，如果第一个线程不释放锁，第二个线程会一直阻塞或等待，不可被中断。

原理

monitorenter

每一个对象都会和一个监视器monitor关联。监视器被占用时会被锁住，其他线程无法来获取该monitor。当JVM执行某个线程的某个方法内部的monitorenter时，它会尝试去获取当前对象对应的monitor的所有权。其过程如下︰
获取当前对象对应的monitor的所有权的过程：
- 若monior的进入数为0，线程可以进入monitor，并将monitor的进入数置为1。当前线程成为monitor的owner (所有者）
- 若线程已拥有monitor的所有权，允许它重入monitor，则进入monitor的进入数加1
- 若其他线程已经占有monitor的所有权，那么当前尝试获取monitor的所有权的线程会被阻塞，直到monitor的进入数变为0，才能重新尝试获取monitor的所有权。
synchronized的锁对象会关联一个monitor,这个monitor不是我们主动创建的,是JVM的线程执行到这个同步代码块,发现锁对象没有monitor就会创建monitor,monitor内部有两个重要的成员变量：
- owner:拥有这把锁的线程
- recursions会记录线程拥有锁的次数,当一个线程拥有monitor后其他线程只能等待

monitorexit

能执行monitorexit指令的线程一定是拥有当前对象的monitor的所有权（owner）的线程。
执行monitorexit时会将monitor的进入数减1。当monitor的进入数减为0时，当前线程退出monitor，不再拥有monitor的所有权，此时其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个monitor的所有权monitorexit释放锁。
monitorexit插入在方法结束处和异常处，JVM保证每个monitorenter必须有对应的monitorexit，因此synchornized出现异常时会释放锁

对象头的结构

在 HotSpot JVM 中，对象头包括两部分信息，分别是 Mark Word 和 Klass Pointer

Mark Word用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码(HashCode ) 、GC分代年龄、锁状态标志线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等，占用内存大小与虚拟机位长一致。
Klass Pointer用于存储对象的类型指针，该指针指向它的类元数据，JVM通过这个指针确定对象是哪个类的实例。该指针的位长度为JVM的一个字大小，即32位的JVM为32位，64位的JVM为64位。

锁升级

偏向锁（Biased Locking）：
- 初始时，一个对象的头部信息会包含偏向锁标记。当某个线程访问这个对象并获取锁时，会将该线程的ID记录在对象头中，并将偏向锁标记置为1。之后，如果同一个线程再次访问该对象，无需竞争，直接获取锁。这提高了同一线程多次获取锁的效率。
轻量级锁（Lightweight Locking）：
- 当有多个线程竞争同一把锁时，偏向锁就不再合适。此时，锁会升级为轻量级锁。在轻量级锁的情况下，当前获取到锁的线程将对象的Mark Word复制到栈帧中的Lock Recod中，Mark Word更新为指向Lock Record的指针。其他线程在尝试获取锁时会将对象头的 Mark Word 复制到线程的栈帧中，并进行自旋操作，而不是直接阻塞线程。如果自旋失败（10次以上仍未获取），锁升级为重量级锁。
重量级锁（Heavyweight Locking）：
- 当轻量级锁自旋失败，多个线程竞争同一把锁的时候，锁会升级为重量级锁。在这种情况下，JVM 使用操作系统提供的互斥量来实现锁。此时，如果一个线程获取了锁，其他线程必须阻塞等待。重量级锁是通过对象头关联的monitor（见补充）实现的。

优化

锁消除：在synchronized修饰的代码中，如果不存在操作临界资源的情况，编译时JIT触发锁消除，相当于无锁
锁膨胀：如果在一个循环中，频繁的获取和释放做资源，这样带来的消耗很大，锁膨胀就是将锁的范围扩大，避免频繁的竞争和获取锁资源带来不必要的消耗
锁升级：synchronized在JDK1.6之前，获取不到锁，立即挂起当前线程，所synchronized性能比较差，之后做了锁升级的优化，即无锁—>偏向锁—>轻量级锁—>重量级锁；有的观点认为锁只能升级，不能降级，也有说锁降级确实是会发生的，当 JVM 进入安全点（SafePoint）的时候，会检查是否有闲置的 Monitor，然后试图进行降级。

补充

java中对象的结构

java对象由三部分组成：对象头，实例数据，对齐填充

对象头：由 Mark Word 和 Klass Pointer组成
实例数据：就是类中定义的成员变量
对齐填充：并不是必然存在的，也没有什么特别的意义，他仅仅起着占位符的作用，由于HotSpot VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头正好是8字节的倍数，因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

monitor

每一个Java对象都可以与一个监视器monitor关联，我们可以把它理解成为一把锁，当一个线程想要执行一段被synchronized圈起来的同步方法或者代码块时，该线程得先获取到synchronized修饰的对象对应的monitor。
monitor并不是随着对象创建而创建的。我们是通过synchronized修饰符告诉VM需要为我们的某个对象创建关联的monitor对象。
monitor的重要成员变量
- _owner:初始时为NULL。当有线程占有该monitor时，owner标记为该线程的唯一标识。当线程释放monitor时，owner又恢复为NULL。owner是一个临界资源，JVM是通过CAS操作来保证其线程安全的。
- _CXq∶竞争队列，所有请求锁的线程首先会被放在这个队列中（单向链接）。_cxq是一个临界资源，JVM通过CAS原子指令来修改_cxq队列。修改前_cxq的旧值填入了node的next字段，_cxq指向新值（新线程)。因此_cxq是一个后进先出的stack(栈)。
- _EntryList : _cxq队列中有资格成为候选资源的线程会被移动到该队列中。
- _WaitSet :因为调用wait方法而被阻塞的线程会被放在该队列中。
monitor是重量级锁：
- ObjectMonitor（hotspot的monitor实现）的函数调用中会涉及到Atomic::cmpxchg_ptr，Atomic:.inc_ptr等内核函数，执行同步代码块，没有竞争到锁的对象会park()被挂起，竞争到锁的线程会unpark()唤醒。这个过程中存在操作系统用户态和内核态的转换，这种切换会消耗大量的系统资源。所以synchronized在Java语言中是一个重量级(Heavyweight)的操作。

安全点（safe point）

安全点是程序执行的一个状态，JVM 在这个状态下，能够确保所有线程都在安全位置，不会出现对对象引用的修改。在安全点上，JVM 可以停止所有线程，进行垃圾回收、线程栈的修改等操作，而不会导致数据不一致或错误的状态。在安全点上，线程不会在执行关键的、可能导致数据不一致的代码。
安全点通常发生在一些特定的位置，包括：

方法调用：
- 在方法调用的地方，JVM 可以方便地确保所有线程都在一个安全的状态。这可以是方法的入口或返回点。
循环跳跃：
- 在循环的迭代点，例如 for 循环的迭代点，也是安全点。这是因为在循环迭代点，线程通常都在相对较安全的位置。
异常抛出：
- 在抛出异常的地方，例如在 throw 语句附近，也是一个潜在的安全点。
代码生成器插入的安全点：
- 代码生成器在生成机器码时，会在适当的位置插入安全点，以确保在执行这些机器码时，所有线程都在一个安全的状态。。在某些情况下，为了减少安全点的频率，JVM 可能会选择较少的插入安全点，从而提高程序的运行效率。