首先介绍一下重排序和内存屏障。
重排序分为两种
- 编译器重排序：有一段代码
a=1.0;a=a/2.0;a=a+1;b=2;由于现代CPU采用多级流水线设计，可以同时执行多条语句，因此上述代码执行过程中，b=2可以直接放入到流水线，而a=a+1必须等a=a/2.0完成以后才能放入流水线。为了提高代码执行效率，编译器会把代码改成a=1.0;a=a/2.0;b=2;a=a+1;。这就是编译器重排序，它确实改变了代码的执行顺序。 - CPU指令重排序：虽然称为重排序，但是仅仅是因为指令执行需要的时钟周期不一样，加上流水线允许指令几乎同时执行，才使得执行结果的返回顺序不一样。但是指令放入流水线的顺序并没有改变
内存屏障是为了阻止以上两种重排序。在硬件篇中提到了mfence等就是为了阻止CPU指令重排序，通过对readBuffer和writebuffer的清空，让mfence之前的指令返回之后才能开始执行指令之后的程序。另外还有编译器级别的内存屏障 a=1.0;a=a/2.0;a=a+1;_asm__volatile_("":::"memory");b=2; ，这个禁止了编译器对代码的重排序，b=2的执行肯定在a=a+1之后
在Java语言标准中将内存屏障分为读读屏障、读写屏障、写写屏障、写读屏障。而在X86架构上的JVM具体实现，前三者其实是一样的，仅仅是编译器级别的内存屏障。只有写读屏障是CPU和编译器的内存屏障。之所以这样设计，是因为只要按照代码的逻辑来，读读、写写、读写这三种场景在X86架构上没有问题，但是写读这种场景必须保证读到的东西确实是刚才写的。
Java中并发原语其实只有两个
- Java在最开始的时候并发原语只有synchronized，这个关键词可以修饰在方法上，也可以修饰在代码块之前。修饰在静态方法上，那么竞争的是这个类，修饰在非静态方法上竞争的是这个对象，编译结果是给方法加上了ACC_SYNCHRONIZED标志。修饰在代码块上，就是在代码块之前加上monitorenter，代码块之后加上monitorexit。而在具体工作上两者其实没有区别，都是通过对类或者对象的头部进行CAS操作，夺取所有权。synchronized修饰的代码里面用到的变量第一次都是从缓存中读取，不会优化为寄存器变量
- 由于最开始的时候synchronized性能并不是很好，于是引入了另一个并发原语volatile，这个关键字应该是源于C语言。在C语言中volatile修饰的变量，不能被优化成寄存器变量，写的时候必须写到缓存，读的时候必须从缓存中读取，同时禁止编译器颠倒两个volatile变量的操作顺序。Java对volatile的语义进行了增强，禁止编译器对volatile变量和其他变量的操作顺序，也就是volatile的写操作之后和读操作之前都插入了写读屏障。volatile的使用场景和synchronized有所不同，volatile修饰的是变量，同一时刻只有一个线程对变量进行写入。synchronized修饰的是代码，同一时刻只有一个线程执行这段代码
从jdk1.6开始 jvm将synchronized锁分为偏向锁，轻量锁和重量锁。如果synchronized修饰的代码都是同一个线程在运行，那么synchronized底层实现就是偏向锁，如果jvm发现有多个线程执行这段代码，但是执行的时间不冲突，比如两个线程一个早上6点跑一次，另外一个晚上6点跑一次，两者没有发生任何的锁竞争，那么synchronized底层实现就是轻量锁，如果线程同时执行到了这段代码，发生了锁竞争，那么底层实现就是重量锁。
Java并发编程很大程度上就是做到线程之间的同步，JVM具体实现上也就是volatile和CMPXCHG指令。在此基础上产生了Atomic类、AQS和非阻塞数据结构，最后衍生出了Lock、阻塞队列、并发容器和同步器等并发数据结构。