Syncorized和cas存在什么差别，各个方面详细讲解，性能上详细讲解，同时从操作系统的角度详细介绍
synchronized 和 Compare-and-Swap (CAS) 是两种在并发编程中解决线程安全问题的核心机制，它们在实现方式、性能特点和与操作系统的交互方面存在显著差异。
synchronized
1. 定义与机制：
synchronized 是 Java 语言的关键字，用于实现同步，它提供了一种悲观锁（Pessimistic Locking）的机制。当一个线程进入 synchronized 代码块或方法时，它会尝试获取对象的监视器锁（monitor lock）。如果锁已被其他线程持有，当前线程会被阻塞，进入等待状态，直到锁被释放。synchronized 保证了同一时刻只有一个线程可以执行临界区（critical section）的代码，从而确保了数据的一致性。synchronized 确保了互斥性、进程、和有界等待（无饥饿）等关键部分问题的三个基本规则。
2. 锁的粒度与类型：
synchronized 作用于对象或方法：
* 同步方法： 锁定当前实例对象。
* 静态同步方法： 锁定当前类的 Class 对象。
* 同步代码块： 锁定括号中指定的对象。
synchronized 提供的锁是独占锁（Exclusive Lock）且是非公平锁（Unfair Lock），这意味着线程获取锁的顺序不是严格按照请求的先后顺序。
3. 性能特点：
* 开销： 传统上，synchronized 被认为是“重量级锁”，因为它涉及操作系统层面的上下文切换，当线程被阻塞时，需要操作系统介入进行线程的挂起和唤醒，这会带来较大的性能开销。
* 现代JVM优化： 现代JVM对 synchronized 进行了大量优化，包括偏向锁（Biased Locking）、轻量级锁（Lightweight Locking）和自适应自旋（Adaptive Spinning）等。在低竞争情况下，synchronized 的性能已大大提高，甚至可以接近非阻塞同步的性能。
* 高竞争情况： 在高竞争场景下，当自旋等待的开销超过线程挂起和唤醒的开销时，synchronized 可能会表现出更好的性能，因为它会选择将等待的线程放入队列并挂起，而不是让它们持续占用CPU自旋。
4. 操作系统角度：
* 内核态介入： 当 synchronized 锁发生竞争，并且线程需要被阻塞时，操作系统会介入。线程会从用户态切换到内核态，被挂起并放入等待队列。这种上下文切换是昂贵的，因为它涉及到保存和恢复CPU寄存器、程序计数器等信息。
* 调度： 操作系统负责管理这些等待的线程，并在锁释放时，根据调度策略唤醒其中一个线程使其重新获得CPU执行权。
* 同步硬件： 操作系统通过利用底层硬件提供的原子操作（如禁用中断、Test-and-Set指令或Compare-and-Swap指令）来确保互斥锁的原子性，从而实现 synchronized 这样的同步机制。
* 避免竞态条件： 进程同步机制（如 synchronized）是操作系统管理并发进程、确保共享资源访问有序、防止竞态条件和数据不一致的关键。
CAS (Compare-and-Swap)
1. 定义与机制：
CAS（Compare-and-Swap，比较并交换）是一种乐观锁（Optimistic Locking）的实现方式，它是一种硬件指令级别的原子操作。CAS 操作包含三个参数：内存位置 V、预期旧值 A 和新值 B。CAS 操作的逻辑是：如果内存位置 V 的当前值与预期旧值 A 相匹配，那么将 V 的值更新为新值 B；否则，不做任何操作。无论更新成功与否，CAS 操作都会返回 V 的旧值。这种机制确保了在并发环境下，只有一个线程能成功执行操作，而其他线程会失败并可以选择重试。Java 中的 java.util.concurrent.atomic 包下的类（如 AtomicInteger、AtomicLong）以及 AbstractQueuedSynchronizer (AQS) 的实现都基于 CAS。
2. 锁的粒度与类型：
* 非阻塞： CAS 是一种非阻塞算法，它不会阻塞线程，而是让线程在操作失败时重试，从而避免了传统锁机制带来的上下文切换开销。
* 原子性： CAS 操作由CPU硬件指令保证其原子性，例如 x86 架构上的 lock cmpxchg 指令，这意味着比较和交换这两个步骤是不可分割的，不会被中断。
3. 性能特点：
* 低竞争情况： 在低竞争（或无竞争）环境下，CAS 的性能通常优于 synchronized，因为它避免了锁的获取、释放以及潜在的线程阻塞和上下文切换开销。
* 高竞争情况： 在高竞争环境下，CAS 可能会导致大量的失败和重试（自旋），这会消耗大量的CPU时间，形成“忙等待”（busy-waiting），即线程在不断地尝试更新但每次都失败。这种情况下，CAS 的性能可能会下降，甚至不如 synchronized。
* 可伸缩性： 非阻塞算法（如基于CAS的算法）通常具有更短的“临界区”，这使得它们在多核系统上具有更好的可伸缩性。
* LongAdder优化： 为了解决高竞争下 CAS 的自旋问题，Java 8 引入了 LongAdder，它通过分段（Striping）的策略，将竞争分散到多个 Cell 上，从而在高并发环境下比 AtomicLong（基于CAS）和 synchronized 表现出更好的性能。
4. 操作系统角度：
* 硬件指令支持： CAS 的核心在于操作系统和CPU提供的底层硬件指令支持，例如 cmpxchg 指令。这些指令允许CPU原子性地执行比较和交换操作，而无需操作系统层面的显式锁机制。
* 内存一致性与缓存： 尽管 CAS 操作是硬件级别的，但它仍然需要访问主内存。在多处理器系统中，CAS 操作会涉及到缓存一致性协议（如MESI协议），以确保所有CPU核心对共享变量的视图是一致的。这部分工作由硬件和操作系统协同完成。
* 减少内核态切换： CAS 的优势在于它尽量避免了线程的阻塞和内核态切换，从而减少了操作系统对同步操作的直接干预。当 CAS 失败时，线程可以立即重试或者执行其他逻辑，而不需要进入等待队列并等待操作系统调度。
* 原子操作基石： CAS 提供了一种构建非阻塞数据结构和算法的底层原子原语。许多高级的并发工具，如 ConcurrentHashMap 中的某些操作以及 java.util.concurrent.locks 包中的锁实现，都利用了 CAS 操作来确保线程安全和提高性能。
总结比较
| 特性 | synchronized | CAS (Compare-and-Swap) |
|---|---|---|
| 机制 | 悲观锁，阻塞式同步 | 乐观锁，非阻塞式同步 |
| 实现 | Java 关键字 | CPU 硬件指令级别的原子操作 |
| 性能 | 低竞争： 经过JVM优化后性能良好 | 低竞争： 性能优异，避免上下文切换 |
| 高竞争： 可能导致线程阻塞和上下文切换，但避免自旋，有时优于CAS | 高竞争： 易产生自旋（忙等待），消耗CPU，可能性能下降 | |
| 锁粒度 | 通常用于代码块或方法，保护较大临界区 | 通常用于对单个共享变量的原子更新 |
| 灵活性 | 较少灵活性，自动管理锁的获取和释放 | 更灵活，可用于实现更复杂的非阻塞算法 |
| 操作系统 | 竞争时涉及OS的线程调度、挂起和唤醒，有内核态切换开销 | 依赖CPU硬件原子指令，尽量避免OS介入，无直接内核态切换 |
| 应用 | 适用于对复杂业务逻辑和较大代码块的同步 | 适用于对单个变量进行原子操作，构建无锁数据结构 |
选择 synchronized 还是 CAS 取决于具体的应用场景和对性能、复杂性的权衡。在竞争不激烈的情况下，或者对代码的简洁性和可理解性要求更高时，synchronized 可能是更好的选择。而在追求极致性能、避免线程阻塞，且能处理好 CAS 失败重试逻辑的场景下，基于 CAS 的原子操作（或更高级的如 LongAdder）会是更优的选择。