Java併發編程系列---volatile和synchronized關鍵字詳解

一、簡介

在多線程併發編程中synchronized和volatile都扮演着重要的角色，volatile是輕量級的 synchronized，它在多處理器開發中保證了共享變量的“可見性”。可見性的意思是當一個 線程修改一個共享變量時，另外一個線程能讀到這個修改的值。如果volatile變量修飾符使 用恰當的話，它比synchronized的使用和執行成本更低，因爲它不會引起線程上下文的切 換和調度。

二、volatile的定義與實現原理

Java編程語言允許線程訪問共享變量， 爲了確保共享變量能被準確和一致地更新，線程應該確保通過排他鎖單獨獲得這個變量。 Java語言提供了volatile，在某些情況下比鎖要更加方便。如果一個字段被聲明成volatile， Java線程內存模型確保所有線程看到這個變量的值是一致的。也就是說volatile關鍵字只保證了線程的可見性，沒有保證其原子性。而且volatile關鍵字禁止JVM和處理器對其修飾的指令進行重排序。

有volatile變量修飾的共享變量進行寫操作的時候會多出一彙編代碼（具有Lock前綴），Lock前綴的指令在多核處理器下會引發了兩件事情。

1. 將當前處理器緩存行的數據寫回到系統內存。
2. 這個寫回內存的操作會使在其他CPU裏緩存了該內存地址的數據無效。

爲了提高處理速度，處理器不直接和內存進行通信，而是先將系統內存的數據讀到內部緩存後再進行操作，但操作完不知道何時會寫到內存。如果對聲明瞭volatile的變量進行寫操作，JVM就會向處理器發送一條Lock前綴的指令，將這個變量 所在緩存行的數據寫回到系統內存。但是，就算寫回到內存，如果其他處理器緩存的值還 是舊的，再執行計算操作就會有問題。所以，在多處理器下，爲了保證各個處理器的緩存 是一致的，就會實現緩存一致性協議，每個處理器通過嗅探在總線上傳播的數據來檢查自 己緩存的值是不是過期了，當處理器發現自己緩存行對應的內存地址被修改，就會將當前 處理器的緩存行設置成無效狀態，當處理器對這個數據進行修改操作的時候，會重新從系 統內存中把數據讀到處理器緩存裏。

2.1 爲什麼volatile保證不了原子性

因爲volatile進行讀寫操作的時候，需要三步。

1. 先去主內存讀取值，然後寫回（緩存）工作內存
2. 然後在工作內存進行加減操作或者一些別的事務操作。
3. 然後再寫入到主內存

這三步，都是原子操作，但是，合到一起就不是原子操作了，因爲每一步都有可能被其他線程打斷。
具體使用：

三、synchronized的實現原理與應用

在多線程併發編程中synchronized一直是元老級角色，很多人都會稱呼它爲重量級鎖。但是，隨着Java SE 1.6對synchronized進行了各種優化之後，有些情況下它就並不那麼重了。

利用synchronized實現同步的基礎:Java中的每一個對象都可以作爲鎖。具體表現爲以下3種形式。

1. 對於普通同步方法，鎖是當前實例對象。
2. 對於靜態同步方法，鎖是當前類的Class對象。
3. 對於同步方法塊，鎖是Synchonized括號裏配置的對象。

當一個線程試圖訪問同步代碼塊時，它首先必須得到鎖，退出或拋出異常時必須釋放 鎖。那麼鎖到底存在哪裏呢?鎖裏面會存儲什麼信息呢?
從JVM規範中可以看到Synchonized在JVM裏的實現原理，JVM基於進入和退出 Monitor對象來實現方法同步和代碼塊同步，但兩者的實現細節不一樣。代碼塊同步是使 用monitorenter和monitorexit指令實現的，而方法同步是使用另外一種方式實現的，細節在 JVM規範裏並沒有詳細說明。但是，方法的同步同樣可以使用這兩個指令來實現。
monitorenter指令是在編譯後插入到同步代碼塊的開始位置，而monitorexit是插入到方 法結束處和異常處，JVM要保證每個monitorenter必須有對應的monitorexit與之配對。任何 對象都有一個monitor與之關聯，當且一個monitor被持有後，它將處於鎖定狀態。線程執 行到monitorenter指令時，將會嘗試獲取對象所對應的monitor的所有權，即嘗試獲得對象 的鎖。

上圖可以看出任意線程對Object(Object由synchronized保護)的訪問，首先要 獲得Object的監視器。如果獲取失敗，線程進入同步隊列，線程狀態變爲BLOCKED。當 訪問Object的前驅(獲得了鎖的線程)釋放了鎖，則該釋放操作喚醒阻塞在同步隊列中的 線程，使其重新嘗試對監視器的獲取。
隨便寫個demo，加上synchronized關鍵字。查看下字節碼文件就可以發現了。

四、volatile和synchronized的區別

1. 使用上的區別
   volatile關鍵字只能用於修飾實例變量或者類變量，不能用於修飾方法以及方法參數和局部變量、常量等。
   synchronized關鍵字不能用於對變量的修飾，只能用於修飾方法或者語句塊。
   volatile修飾的變量可以爲null, synchronized 關鍵字同步語句塊的monitor對象不能爲null。

2. 對原子性的保證
   volatile無法保證原子性。
   由於synchronized是一種排他的機制，因此被synchronized關鍵字修飾的同步代碼是無法被中途打斷的，因此其能夠保證代碼的原子性。

3. 對可見性的保證
   兩者均可以保證共享資源在多線程間的可見性，但是實現機制完全不同。
   synchronized藉助於JVM指令monitorenter和monitorexit對通過排他的方式使得同步代碼串行化，在monitorexit時所有共享資源都將會被刷新到主內存中。
   相比較於synchronized關鍵字volatile使用機器指令(偏硬件)“lock ;”的方式迫使其他線程工作內存中的數據失效，不得到主內存中進行再次加載。

4. 對有序性的保證
   volatile關鍵字禁止JVM編譯器以及處理器對其進行重排序，所以它能夠保證有序性。.
   雖然synchronized關鍵字所修飾的同步方法也可以保證順序性，但是這種順序性是以程序的串行化執行換來的，在synchronized關鍵字所修飾的代碼塊中代碼指令也會發生指令重排序的情況，比如:

   synchronized(this){
   int x=10;
   int y=20;
   x++ ;
   y = y+1;
   

   x和y誰最先定義以及誰最先進行運算，對程序來說沒有任何的影響，另外x和y之間也沒有依賴關係，但是由於synchronized關鍵字同步的作用，在synchronized的作用域結束時x必定是11, y必定是21,也就是說達到了最終的輸出結果和代碼編寫順序的一致性。

5. 其他
   volatile不會使線程陷入阻塞。
   synchronized關鍵字會使線程進人阻塞狀態。