基本知識：

可見性：

　　可見性是一種復雜的屬性，因為可見性中的錯誤總是會違背我們的直覺。通常，我們無法確保執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存寫入操作的可見性，必須使用同步機制。

　　可見性，是指線程之間的可見性，一個線程修改的狀態對另一個線程是可見的。也就是一個線程修改的結果。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部緩存和重排序，即直接修改內存。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 實現可見性。

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（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 兩個關鍵字來保證線程之間操作的有序性，volatile 是因為其本身包含“禁止指令重排序”的語義，synchronized 是由“一個變量在同一個時刻只允許一條線程對其進行 lock 操作”這條規則獲得的，此規則決定了持有同一個對象鎖的兩個同步塊只能串行執行。

下面內容摘錄自《Java Concurrency in Practice》：

　　下面一段代碼在多線程環境下，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可能會持續循環下去，因為讀線程可能永遠都看不到ready的值。甚至NoVisibility可能會輸出0，因為讀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行。當主線程首先寫入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、處理器以及運行時等都可能對操作的執行順序進行一些意想不到的調整。在缺乏足夠同步的多線程程序中，要想對內存操作的執行春旭進行判斷，無法得到正確的結論。

　　這個看上去像是一個失敗的設計，但卻能使JVM充分地利用現代多核處理器的強大性能。例如，在缺少同步的情況下，Java內存模型允許編譯器對操作順序進行重排序，并將數值緩存在寄存器中。此外，它還允許CPU對操作順序進行重排序，并將數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。當把變量聲明為volatile類型后，編譯器與運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變量時不會執行加鎖操作，因此也就不會使執行線程阻塞，因此volatile變量是一種比sychronized關鍵字更輕量級的同步機制。

　　當對非 volatile 變量進行讀寫的時候，每個線程先從內存拷貝變量到CPU緩存中。如果計算機有多個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存中讀，跳過 CPU cache 這一步。

當一個變量定義為 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存，以及每次使用前立即從主內存刷新。但普通變量做不到這點，普通變量的值在線程間傳遞均需要通過主內存（詳見：Java內存模型）來完成。

　　2.禁止指令重排序優化。有volatile修飾的變量，賦值后多執行了一個“load addl $0x0, (%esp)”操作，這個操作相當于一個內存屏障（指令重排序時不能把后面的指令重排序到內存屏障之前的位置），只有一個CPU訪問內存時，并不需要內存屏障；（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定的順序分開發送給各相應電路單元處理）。

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，因為它需要在本地代碼中插入許多內存屏障指令來保證處理器不發生亂序執行。

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方法或者對象）

java的內置鎖：每個java對象都可以用做一個實現同步的鎖，這些鎖成為內置鎖。線程進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。獲得內置鎖的唯一途徑就是進入這個鎖的保護的同步代碼塊或方法。
java內置鎖是一個互斥鎖，這就是意味著最多只有一個線程能夠獲得該鎖，當線程A嘗試去獲得線程B持有的內置鎖時，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置鎖是一致的，但是，兩個鎖實際是有很大的區別的，對象鎖是用于對象實例方法，或者一個對象實例上的，類鎖是用于類的靜態方法或者一個類的class對象上的。我們知道，類的對象實例可以有很多個，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。但是有一點必須注意的是，其實類鎖只是一個概念上的東西，并不是真實存在的，它只是用來幫助我們理解鎖定實例方法和靜態方法的區別的。

這里涉及到內置鎖的一個概念（此概念出自java并發編程實戰第二章）：對象的內置鎖和對象的狀態之間是沒有內在的關聯的，雖然大多數類都將內置鎖用做一種有效的加鎖機制，但對象的域并不一定通過內置鎖來保護。當獲取到與對象關聯的內置鎖時，并不能阻止其他線程訪問該對象，當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置鎖，是為了免去顯式地創建鎖對象。
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：當某個線程進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，這對高并發的系統是致命的，這很容易導致系統的崩潰。如果某個線程在同步方法里面發生了死循環，那么它就永遠不會釋放這個對象鎖，那么其他線程就要永遠的等待。這是一個致命的問題。
當然同步方法和同步代碼塊都會有這樣的缺陷，只要用了synchronized關鍵字就會有這樣的風險和缺陷。既然避免不了這種缺陷，那么就應該將風險降到最低。這也是同步代碼塊在某種情況下要優于同步方法的方面。例如在某個類的方法里面：這個類里面聲明了一個對象實例，SynObject so=new SynObject()；在某個方法里面調用了這個實例的方法so.testsy();但是調用這個方法需要進行同步，不能同時有多個線程同時執行調用這個方法。這時如果直接用synchronized修飾調用了so.testsy();代碼的方法，那么當某個線程進入了這個方法之后，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行的時間很長，那么其他線程會一直阻塞，影響到系統的性能。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，跟執行這行代碼的對象沒有關系，當一個線程執行這個方法時，這對其他同步方法時沒有影響的，因為他們持有的鎖都完全不一樣。

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，這時也可以體現到同步代碼塊的優越性，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，這導致testone方法會執行時間非常長，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，那么當退出代碼塊時就已經釋放了對象鎖，當線程還在執行test1的那個100000的循環時，其他線程就已經可以訪問testtwo方法了。

這就讓阻塞的機會或者線程更少。讓系統的性能更優越。
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一個類的對象鎖和另一個類的對象鎖是沒有關聯的，當一個線程獲得A類的對象鎖時，它同時也可以獲得B類的對象鎖。

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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