synchronized 和 volatile 的分析和区别

synchronized 和 volatile 比较了一些其中的区别。

一、 知识普及

Java 内存模型 [JMM]

描述了 Java 程序中各种变量（这里的变量指的是线程共享变量）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出变量这样的底层的细节。

工作内存、主内存

每个程序都有一个主内存，每个线程都有自己独立的工作内存，里面保存了该线程使用到的变量的副本（主内存该变量的一份拷贝）。不能直接访问主内存。线程间变量值的传递需要通过主内存完成。

共享变量

如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本，那么这个变量就是这几个现成的共享变量。

as-if-serial 语义

as-if-serial：无论如何重排序，程序执行结果应该与代码顺序执行的结果一致（Java 编译器、运行时和处理器都会保证 Java 在单线程下遵循 as-if-serial 语义）。

指令重排序

代码书写的顺序与实际执行的顺序不同，指令重排序是编译器或处理器为了提高程序性能而做的优化。

• 编译器优化的重排序（编译器优化）
• 指令级并行重排序（处理器优化）
• 内存系统的重排序（处理器优化）

可见性

一个线程对共享变量值的修改，能够及时地被其他线程看到。

二、 synchronized

1.JMM 关于 synchronized 的两条规定：

1. 线程解锁前，必须把共享变量的最新值刷新到主内存中。
2. 线程加锁前，将清空工作内存中共享变量的值，从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取.

2. 线程执行互斥代码的过程：

1. 获取互斥锁
2. 清空工作内存。
3. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存中。
4. 执行代码
5. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存中。
6. 释放互斥锁。

3. 可见性分析

导致共享变量在线程间不可见的原因:

1. 线程交叉执行
2. 重排序结合线程交叉执行
3. 共享变量更新后的值没有在工作内存和主内存间及时更新。

synchronized 的解决方案：

1. 原子性 —- 锁内部的代码在一段时间内只能由一个线程执行，避免线程在锁内部交叉执行。
2. 有序性 —- 避免线程在锁内部交叉执行；重排序都是在单独的线程内执行，再结合 as-if-serial 理解。
3. 可见性 —- 这是 synchronized 的可见性规范。

三、volatile

1. 通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现。

1. 对 volatile 变量执行写操作时，会在写操作后加入一条 store 屏障指令。强制更新主内存；防止处理器把 volatile 前面的变量重排序到 volatile 写变量操作之后；
2. 对 volatile 变量指向读操作时，会在读操作前加入一条 load 屏蔽指令。同上。

2.volatile 如何实现内存可见性

volatile 变量在每次被线程访问时，都强迫主内存中重读该变量的值，而该变量发生变化时，又会强迫线程将最新的值刷新到主内存。这样任何时刻，不同的线程总能看到该变量的最新值。

深入来说，通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的

• 对 volatile 变量执行写操作时，会在写操作后加入一条 store 屏障指令（写后强制刷新到主内存中去）
• 对 volatile 变量执行读操作时，会在读操作前加入一条 load 屏障指令（强制使工作内存中的变量拷贝失效）

3.volatile 不能保证 volatile 变量复合操作的原子性

1
2
3

private int num = 0;
num++;//不是原子操作
`

num++ 分解成三个步骤：

1. 读取 num 的值
2. 将 num 的值 + 1
3. 将最新 num 的值写入内存

3.1 加入 synchronized 代码块

1
2
3

synchronized(this) {
num++;
}

加入 synchronized 后变成原子操作，换句话说，num++ 分解出来的三个步骤只能被一个线程执行完之后才能被另外一个线程执行。

3.2 改成 volatile 变量

无法保证原子性。

3.3 保证 num 自增操作的原子性

• 使用 synchronized 关键字
• lock () 和 unlock ()
• AtomicIntege

4. 使用 volatile 的注意事项：

要在多线程中安全地使用 volatile 变量，必须满足：

1. 对 volatile 变量的写入操作不依赖其当前值
2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

5.synchronized 和 volatile 的比较：

1. volatile 本质是在告诉 jvm 当前变量在寄存器中的值是不确定的，需要从主存中读取，synchronized 则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程被阻塞住
2. volatile 仅能使用在变量级别，synchronized 则可以使用在变量，方法
3. volatile 仅能实现变量的修改可见性，但不具备原子特性，而 synchronized 则可以保证变量的修改可见性和原子性
4. volatile 不会造成线程的阻塞，而 synchronized 可能会造成线程的阻塞
5. volatile 标记的变量不会被编译器优化，而 synchronized 标记的变量可以被编译器优化

所以在可以保证线程安全性的前提，尽可能使用 volatile。