基本知識：

可見性：

　　可見性是一種復(fù)雜的屬性，因?yàn)榭梢娦灾械腻e誤總是會違背我們的直覺。通常，我們無法確保執(zhí)行讀操作的線程能適時地看到其他線程寫入的值，有時甚至是根本不可能的事情。為了確保多個線程之間對內(nèi)存寫入操作的可見性，必須使用同步機(jī)制。

　　可見性，是指線程之間的可見性，一個線程修改的狀態(tài)對另一個線程是可見的。也就是一個線程修改的結(jié)果。另一個線程馬上就能看到。比如：用volatile修飾的變量，就會具有可見性。volatile修飾的變量不允許線程內(nèi)部緩存和重排序，即直接修改內(nèi)存。所以對其他線程是可見的。但是這里需要注意一個問題，volatile只能讓被他修飾內(nèi)容具有可見性，但不能保證它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一個操作 a++；這個變量a具有可見性，但是a++ 依然是一個非原子操作，也就是這個操作同樣存在線程安全問題。

　　在 Java 中 volatile、synchronized 和 final 實(shí)現(xiàn)可見性。

原子性：

　　原子是世界上的最小單位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double類型） 這個操作是不可分割的，那么我們說這個操作時原子操作。再比如：a++； 這個操作實(shí)際是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一個原子操作。非原子操作都會存在線程安全問題，需要我們使用同步技術(shù)（sychronized）來讓它變成一個原子操作。一個操作是原子操作，那么我們稱它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子類，我們可以通過閱讀API來了解這些原子類的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

　　在 Java 中 synchronized 和在 lock、unlock 中操作保證原子性。

有序性：

　　Java 語言提供了 volatile 和 synchronized 兩個關(guān)鍵字來保證線程之間操作的有序性，volatile 是因?yàn)槠浔旧戆敖怪噶钪嘏判颉钡恼Z義，synchronized 是由“一個變量在同一個時刻只允許一條線程對其進(jìn)行 lock 操作”這條規(guī)則獲得的，此規(guī)則決定了持有同一個對象鎖的兩個同步塊只能串行執(zhí)行。

下面內(nèi)容摘錄自《Java Concurrency in Practice》：

　　下面一段代碼在多線程環(huán)境下，將存在問題。

+ View code 1 /** 2 * @author zhengbinMac 3 */ 4 public class NoVisibility { 5 private static boolean ready; 6 private static int number; 7 private static class ReaderThread extends Thread { 8 @Override 9 public void run() { 10 while(!ready) { 11 Thread.yield(); 12 } 13 System.out.println(number); 14 } 15 } 16 public static void main(String[] args) { 17 new ReaderThread().start(); 18 number = 42; 19 ready = true; 20 } 21 }

　　NoVisibility可能會持續(xù)循環(huán)下去，因?yàn)樽x線程可能永遠(yuǎn)都看不到ready的值。甚至NoVisibility可能會輸出0，因?yàn)樽x線程可能看到了寫入ready的值，但卻沒有看到之后寫入number的值，這種現(xiàn)象被稱為“重排序”。只要在某個線程中無法檢測到重排序情況（即使在其他線程中可以明顯地看到該線程中的重排序），那么就無法確保線程中的操作將按照程序中指定的順序來執(zhí)行。當(dāng)主線程首先寫入number，然后在沒有同步的情況下寫入ready，那么讀線程看到的順序可能與寫入的順序完全相反。

　　在沒有同步的情況下，編譯器、處理器以及運(yùn)行時等都可能對操作的執(zhí)行順序進(jìn)行一些意想不到的調(diào)整。在缺乏足夠同步的多線程程序中，要想對內(nèi)存操作的執(zhí)行春旭進(jìn)行判斷，無法得到正確的結(jié)論。

　　這個看上去像是一個失敗的設(shè)計(jì)，但卻能使JVM充分地利用現(xiàn)代多核處理器的強(qiáng)大性能。例如，在缺少同步的情況下，Java內(nèi)存模型允許編譯器對操作順序進(jìn)行重排序，并將數(shù)值緩存在寄存器中。此外，它還允許CPU對操作順序進(jìn)行重排序，并將數(shù)值緩存在處理器特定的緩存中。

Volatile原理

　　Java語言提供了一種稍弱的同步機(jī)制，即volatile變量，用來確保將變量的更新操作通知到其他線程。當(dāng)把變量聲明為volatile類型后，編譯器與運(yùn)行時都會注意到這個變量是共享的，因此不會將該變量上的操作與其他內(nèi)存操作一起重排序。volatile變量不會被緩存在寄存器或者對其他處理器不可見的地方，因此在讀取volatile類型的變量時總會返回最新寫入的值。

　　在訪問volatile變量時不會執(zhí)行加鎖操作，因此也就不會使執(zhí)行線程阻塞，因此volatile變量是一種比sychronized關(guān)鍵字更輕量級的同步機(jī)制。

　　當(dāng)對非 volatile 變量進(jìn)行讀寫的時候，每個線程先從內(nèi)存拷貝變量到CPU緩存中。如果計(jì)算機(jī)有多個CPU，每個線程可能在不同的CPU上被處理，這意味著每個線程可以拷貝到不同的 CPU cache 中。

　　而聲明變量是 volatile 的，JVM 保證了每次讀變量都從內(nèi)存中讀，跳過 CPU cache 這一步。

當(dāng)一個變量定義為 volatile 之后，將具備兩種特性：

　　1.保證此變量對所有的線程的可見性，這里的“可見性”，如本文開頭所述，當(dāng)一個線程修改了這個變量的值，volatile 保證了新值能立即同步到主內(nèi)存，以及每次使用前立即從主內(nèi)存刷新。但普通變量做不到這點(diǎn)，普通變量的值在線程間傳遞均需要通過主內(nèi)存（詳見：Java內(nèi)存模型）來完成。

　　2.禁止指令重排序優(yōu)化。有volatile修飾的變量，賦值后多執(zhí)行了一個“l(fā)oad addl $0x0, (%esp)”操作，這個操作相當(dāng)于一個內(nèi)存屏障（指令重排序時不能把后面的指令重排序到內(nèi)存屏障之前的位置），只有一個CPU訪問內(nèi)存時，并不需要內(nèi)存屏障；（什么是指令重排序：是指CPU采用了允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理）。

volatile 性能：

　　volatile 的讀性能消耗與普通變量幾乎相同，但是寫操作稍慢，因?yàn)樗枰诒镜卮a中插入許多內(nèi)存屏障指令來保證處理器不發(fā)生亂序執(zhí)行。

synchronized：

synchronized是針對修飾代碼塊，對象方法，或者類對象（類對象就是修飾靜態(tài)方法或者對象）

java的內(nèi)置鎖：每個java對象都可以用做一個實(shí)現(xiàn)同步的鎖，這些鎖成為內(nèi)置鎖。線程進(jìn)入同步代碼塊或方法的時候會自動獲得該鎖，在退出同步代碼塊或方法時會釋放該鎖。獲得內(nèi)置鎖的唯一途徑就是進(jìn)入這個鎖的保護(hù)的同步代碼塊或方法。
java內(nèi)置鎖是一個互斥鎖，這就是意味著最多只有一個線程能夠獲得該鎖，當(dāng)線程A嘗試去獲得線程B持有的內(nèi)置鎖時，線程A必須等待或者阻塞，直到線程B釋放這個鎖，如果B線程不釋放這個鎖，那么A線程將永遠(yuǎn)等待下去。
java的對象鎖和類鎖：java的對象鎖和類鎖在鎖的概念上基本上和內(nèi)置鎖是一致的，但是，兩個鎖實(shí)際是有很大的區(qū)別的，對象鎖是用于對象實(shí)例方法，或者一個對象實(shí)例上的，類鎖是用于類的靜態(tài)方法或者一個類的class對象上的。我們知道，類的對象實(shí)例可以有很多個，但是每個類只有一個class對象，所以不同對象實(shí)例的對象鎖是互不干擾的，但是每個類只有一個類鎖。但是有一點(diǎn)必須注意的是，其實(shí)類鎖只是一個概念上的東西，并不是真實(shí)存在的，它只是用來幫助我們理解鎖定實(shí)例方法和靜態(tài)方法的區(qū)別的。

這里涉及到內(nèi)置鎖的一個概念（此概念出自java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)第二章）：對象的內(nèi)置鎖和對象的狀態(tài)之間是沒有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)的，雖然大多數(shù)類都將內(nèi)置鎖用做一種有效的加鎖機(jī)制，但對象的域并不一定通過內(nèi)置鎖來保護(hù)。當(dāng)獲取到與對象關(guān)聯(lián)的內(nèi)置鎖時，并不能阻止其他線程訪問該對象，當(dāng)某個線程獲得對象的鎖之后，只能阻止其他線程獲得同一個鎖。之所以每個對象都有一個內(nèi)置鎖，是為了免去顯式地創(chuàng)建鎖對象。
類鎖和對象鎖是兩個不一樣的鎖，控制著不同的區(qū)域，它們是互不干擾的。同樣，線程獲得對象鎖的同時，也可以獲得該類鎖，即同時獲得兩個鎖，這是允許的。
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到這里，對synchronized的用法已經(jīng)有了一定的了解。這時有一個疑問，既然有了synchronized修飾方法的同步方式，為什么還需要synchronized修飾同步代碼塊的方式呢？而這個問題也是synchronized的缺陷所在。
synchronized的缺陷：當(dāng)某個線程進(jìn)入同步方法獲得對象鎖，那么其他線程訪問這里對象的同步方法時，必須等待或者阻塞，這對高并發(fā)的系統(tǒng)是致命的，這很容易導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰。如果某個線程在同步方法里面發(fā)生了死循環(huán)，那么它就永遠(yuǎn)不會釋放這個對象鎖，那么其他線程就要永遠(yuǎn)的等待。這是一個致命的問題。
當(dāng)然同步方法和同步代碼塊都會有這樣的缺陷，只要用了synchronized關(guān)鍵字就會有這樣的風(fēng)險和缺陷。既然避免不了這種缺陷，那么就應(yīng)該將風(fēng)險降到最低。這也是同步代碼塊在某種情況下要優(yōu)于同步方法的方面。例如在某個類的方法里面：這個類里面聲明了一個對象實(shí)例，SynObject so=new SynObject()；在某個方法里面調(diào)用了這個實(shí)例的方法so.testsy();但是調(diào)用這個方法需要進(jìn)行同步，不能同時有多個線程同時執(zhí)行調(diào)用這個方法。這時如果直接用synchronized修飾調(diào)用了so.testsy();代碼的方法，那么當(dāng)某個線程進(jìn)入了這個方法之后，這個對象其他同步方法都不能給其他線程訪問了。假如這個方法需要執(zhí)行的時間很長，那么其他線程會一直阻塞，影響到系統(tǒng)的性能。如果這時用synchronized來修飾代碼塊：synchronized（so）{so.testsy();}，那么這個方法加鎖的對象是so這個對象，跟執(zhí)行這行代碼的對象沒有關(guān)系，當(dāng)一個線程執(zhí)行這個方法時，這對其他同步方法時沒有影響的，因?yàn)樗麄兂钟械逆i都完全不一樣。

public class TestSynchronized { public void testone() { synchronized(this) { int i = 5; while( i-- > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException ie) { } } } } public synchronized void testtwo() { int i = 5; while( i-- > 0) { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + i); try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException ie) { } } } public static void main(String[] args) { final TestSynchronized myt2 = new TestSynchronized(); Thread thread1= new Thread( new Runnable() { public void run() { myt2.testone(); } }, "testone" ); Thread thread2= new Thread( new Runnable() { public void run() { myt2.testtwo(); } }, "testtwo" ); thread1.start();; thread2.start(); } }
不過這里還有一種特例，就是上面演示的例子，對象鎖synchronized同時修飾方法和代碼塊，這時也可以體現(xiàn)到同步代碼塊的優(yōu)越性，如果testone方法同步代碼塊后面有非常多沒有同步的代碼，而且有一個100000的循環(huán)，這導(dǎo)致testone方法會執(zhí)行時間非常長，那么如果直接用synchronized修飾方法，那么在方法沒執(zhí)行完之前，其他線程是不可以訪問testtwo方法的，但是如果用了同步代碼塊，那么當(dāng)退出代碼塊時就已經(jīng)釋放了對象鎖，當(dāng)線程還在執(zhí)行test1的那個100000的循環(huán)時，其他線程就已經(jīng)可以訪問testtwo方法了。

這就讓阻塞的機(jī)會或者線程更少。讓系統(tǒng)的性能更優(yōu)越。
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一個類的對象鎖和另一個類的對象鎖是沒有關(guān)聯(lián)的，當(dāng)一個線程獲得A類的對象鎖時，它同時也可以獲得B類的對象鎖。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的volatile与synchronized 同步原理基础讲解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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