线程的实现
线程的实现分为内核线程实现、用户线程实现、混合实现。
- 内核实现就是直接由操作系统内核支持的线程，各种操作，如创建、销毁、同步都需要进行系统调用，需要在用户态和内核态中来回切换，代价较高，另外内核线程需要消耗一定的内核资源，所以一个系统支持的线程数量是有限的。
- 用户线程是由用户态自己实现的，线程管理的开销很低，理论上也支持更大的线程规模，缺点是实现复杂。
- 混合模式 java线程的实现在jdk1.2之前是采用用户线程实现的、但是在1.2之后切换为内核线程实现。
Java线程调度
线程调度分为协同式和抢占式
协同式：是指线程的执行时间由线程本身控制，线程把自己的工作执行完之后，要主动通知系统切换到其他线程上。
抢占式：是指线程的执行时间由系统调度分配，但是线程可以让出执行时间。
线程优先级
Java设置了10个级别的线程优先级，级别越高，越有机会被CPU分配工作时间，但是由于java的线程是采用内核线程实现的，线程调度最终还是依赖于各平台的内核线程调度，虽然各平台都有线程优先级的机制，但是级别的设定不一定与Java一一对应，在Solaris中有2的32次方种，在windows中有7种，这种比java优先级种类少的平台上，有可能java不同的线程优先级对应windows上同一种优先级。
线程状态转换
java定义了5种线程状态：新建New、运行Runing、无限期等待Waiting、有限期等待Timed Waiting、阻塞Blocked、Terminated结束。
线程安全
定义：当多个线程访问一个对象时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替运行，也不需要进行额外的同步，或者在调用方进行任何其他的协调时，调用这个对象的行为都可以得到正确的结果，那这个对象是线程安全的。
线程安全的实现方法
互斥同步
临界区Critical Section、互斥量 Mutex、信号量 Semaphore都是主要的互斥实现方式。Java最基本的互斥同步手段就是synchronize，如果是同步代码块，JVM会在同步快的前后生成monitorenter和monitorexit这两个字节码指令，这两个字节码指令需要一个reference类型的参数来指明需要锁定和解锁的对象，如果使用的是被修饰的实例方法，那么会隐式的使用实例对象作为所对象，如果是静态方法，则使用类型对象作为锁对象。
另外JVM规定，执行monitorenter指令时，首先尝试获取对象锁，如果成功或者已经拥有了那个对象的锁（可重入锁），把锁的计数加1，相应的，执行monitorexit时计数器减1。当计数器为0时，锁就释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到拥有锁的线程释放为止。
可重入锁 ReentrantLock
顾名思义，它是可以多次获取同一个对象的锁的，代码写法与synchronize有区别，除了能提供synchronize的功能外还可以提供其他三种功能：等待可中断、可实现公平锁（按照申请锁的时间来依次获得锁，如：synchronize是非公平的）、以及锁可以绑定多个条件。
非阻塞同步
互斥同步是一种悲观的并发策略，总是认为只要不去做正确的同步就会出现问题，无论是否真的出现竞争，它都会进行加锁，在冲突不多的情况下，这很浪费执行性能，因此一种基于冲突检测的乐观并发策略产生，乐观的先进行操作，如果成功了，就顺利执行，如果共享数据存在争用，产生了冲突，那就再采取其他的补偿措施（最常见的补偿措施就是不断重试，知道成功为止），这种乐观的并发策略不需要把线程挂起，因此这种同步操作称为飞阻塞同步。乐观并发策略需要更底层的硬件支持，因为我们需要冲突检测和操作执行这两个步骤具备原子性，如果再使用互斥同步来保证就没有意义了（鸡生蛋还是蛋生鸡的问题），我们需要的是CPU一个指令来完成这两个操作，这类常用指令有：
- 测试并设置 Test-and-Set
- 获取并增加 Fetch-and-Increment
- 交换 Swap
- 比较并交换 Compare-and-Swap
- 加载链接/条件存储 Load-Linked/Store-Conditional，下文称LL/SC
其中后两条是现代处理器新增的，功能上是相似的，都可以达到我们的目的，IA64、x86指令集中有cmpxchg指令完成CAS功能，在sparc-TSO也有casa指令实现，而在ARM和PowerPC架构下，则需要使用一对ldres/strex指令来完成LL/SC功能。
CAS的作用与应用
CAS需要三个操作数，分别是待修改的变量的地址、旧的期望值、新值，CAS指令执行时，当且仅当变量的值等于期望值时，才会更新变量为新值，否则不进行更新，但无论是否进行了更新，都会将变量的旧值作为结果返回。
JDK中的CAS由sun.misc.Unsafe提供，包括compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()，在JVM内部对这些方法的调用做了特殊处理，即使编译出来的结果就是一条平台相关的CAS指令。但是由于Unsafe类被限制为只有启动类加载器Bootstrap ClassLoader加载的Class才能调用它，所以我们只能使用Jdk提供的其他API间距的使用它，如JUC包里的Atomic系列类。
虽然CAS能够提供不错的性能，但是它存在一个漏洞，即它只能根据当前的值判断变量有没有被修改，但是变量在这期间有没有被修改就无从得知了，这个漏洞被称为CAS操作的“ABA”问题，JUC包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类，“AtomicStampedReference”，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。
无同步方案
包括可重入代码和线程本地存储 ThreadLocal
锁优化
包括适应性自旋锁、锁消除、锁粗化、轻量级锁、偏向锁
自旋锁是指当前一个线程已经获得锁，后一个线程稍等一会，但不放弃处理器的执行时间，等待有锁的线程释放锁，为了让线程等待，让线程执行一个忙循环（自旋）。JDK1.6默认开启了自旋锁，自旋锁的默认自旋次数为10次，用户可以使用参数-XX:PreBlockSpin来指定。所谓适应性自旋锁，是由JVM来自动调节自旋次数，上一次成功后，使用更长的自旋时间，如果失败了就相应减少时间，甚至取消自旋。
锁清除
通过逃逸分析，检测到代码不可能存在冲突，就会在即时编译阶段对锁进行消除。
锁粗化
原则上锁范围越小越好，但是对于一个区域内对同一对象连续获取释放锁，或循环获取释放锁，是性能的浪费，在这种情况下，虚拟机会将锁同步的范围粗化到整个操作序列外部。
轻量级锁
轻量级锁是在没有多线程竞争的前提下，减少传统重量级锁使用操作系统互斥量产生的性能消耗。在代码进入同步代码块的时候，如果同步对象没有被锁定（锁标记位为01），虚拟机首先在当前线程的栈帧中建立一个名为锁记录Lock Record的空间，用于存储对象目前的Mark Word的拷贝，然后虚拟机将使用CAS操作尝试将对象的MarkWord更新为Lock Record的指针，如果更新成功，这个线程就拥有了这个对象的锁，锁标记位转变为00，即表示此对象处于轻量级锁定状态。如果更新操作失败了，虚拟机首先会检查对象的Mark World是否指向栈帧，如果是说明当前线程拥有了这个对象的锁，那就可以直接进入同步代码块继续执行，否则说明其他线程已经枪占了这个对象的锁，如果有两条以上的线程争同一个锁，那轻量级锁不再有效，要膨胀为重量级锁，锁的标志位状态值变为10，Mark World中存贮的就是指向重量级锁的指针，后续等待锁的线程也要进入阻塞状态。
偏向锁
目的是消除在无竞争条件下的同步原语，比起轻量级锁的CAS操作，偏向锁完全消除了同步，前提是只针对第一个获得它的线程，如果接下来没有其他线程获取，则持有偏向锁的线程将永远不需要再进行同步。
但是如果程序中大多数的锁总是被多个线程访问，那偏向锁就是多余的，有时候使用参数-XX:-UseBiasedLocking来禁止偏向锁优化反而可以提高性能。
参考资料
本文参考：《深入理解Java虚拟机》