Java多线程之synchronized和volatile

概述

用Java来开发多线程程序变得越来越常见，虽然Java提供了并发包来简化多线程程序的编写，但是我们有必要深入研究一下，才能更好的掌握这块知识。

本文主要对Java提供的底层原语synchronized和volatile进行分析，看看他们究竟干了什么，以及怎么样才能合理的使用它们。

运算速度与IO速度的问题

现代计算机模型，待计算的数据主要存储在内存中，CPU想要对数据进行计算，就必须要经过下面的流程：从内存读取数据-->CPU计算-->把计算结果写回内存。但是，不得不承认一个事实，就是CPU与内存之间的IO速度，要比CPU的运算速度慢很多，所以这样就不能充分发挥CPU的计算能力。

为了解决这个问题，引入了高速缓存的概念，它一般位于内存与CPU之间，与CPU之间有较高的IO速度。高速缓存存放常用的数据，这样就可以大幅度提高CPU的利用率。

由缓存命中问题引出的指令重排序

上面提到了高速缓存之间的概念。既然提到高速缓存，那么就要谈到缓存命中的问题，如果缓存命中率很高，那么整体性能就会提升。所以，试想一下，有下面几行代码：

int a = 0;
a = a + 10;
int b = 0;
b = b + 5;
a = a * 2;

通常我们会认为，执行完第2条代码后，a被写入到高速缓存，然后执行对b的操作，最后再从高速缓存中读取出a，再对a做乘法计算。

但是，现代编译器都会对这种情况做优化。考虑一个问题，既然两次对a操作的指令之间，没有使用到a的指令，那么为什么不在对a做完加法后，直接再对a做个乘法呢。反正又不会影响整个代码的语义，而且还能避免高速缓存不命中的问题，万一这之间执行的代码很多，然后a被清理出了高速缓存，那么到最后执行对a的乘法时，又要从内存中读取，这样看来，很不划算，所以就出现了指令重排。就是说指令真正的执行顺序，不一定是按照代码书写的顺序执行的，可能会打乱顺序执行，但是只要不影响整段代码的语义就行了，因为它们是“好像是串行执行”的方式。

比如下面的代码，如果对a的操作真的发生在对b的操作之前，那么就改变了整段代码的语义，所以这时候就不会重排指令。

int a = 0;
a = a + 10;
int b = 0;
b = b + a;
a = a * 2;

Java的存储（内存）结构

内存中，主要分为两大块区域：

1、全局区域，所有线程共享该区域。

2、线程私有区域，存放需要使用的全局数据的副本。

存储结构：

第一层，位于CPU内部的高速缓存，为了解决CPU与内存之间IO速度和CPU执行速度之间差距太大的问题。

第二层：内存（包括全局区域和线程私有区域）。

对一个变量的操作，通常需要经过下面的这8个步骤（如果不是同步操作，没有1和8）。见下图的蓝色字。

多线程要考虑的问题

1、内存一致性

某个变量，它在主内存中的值，应该和在线程工作内存中的值是一致的。

2、内存可见性

某个变量，如果一个线程对它进行修改，那么其他线程应该能立即看到它的变化。

3、有序性

如果一个线程A依赖另一个线程B的执行结果，那么在线程B看来是串行执行的指令（其实可能经过了指令重排），在线程A看来，就是一个错误的执行顺序。比如下面的情况：

Thread 1	Thread 2
x = 1;	int r1 = y;
y = 2;	int r2 = x;

有可能出现 r1 = 2 、r2 = 0 的情况，因为Thread1可能会进行指令重排，所以对于Thread2来说，就发生了错误。

synchronized工作原理

synchronized关键字，通过第1步，对主内存中变量加锁的操作（lock），获得了该变量的使用权，随后，其他线程没有访问这个被加锁变量的权利，一直到该线程使用完成，然后解锁该变量（unlock），之后其他线程才能访问该变量，当然也能看到该变量最新的结果。

由于synchronized以一种让上述8个步骤原子执行的方式工作，所以，它解决了内存一致性的问题，内存可见性的问题、有序性的问题。

使用场景：所有在有多线程共享数据的地方，都可以使用，简单粗暴，但是会引降低性能。

volatile工作原理

volatile关键字，通俗点来说，就是对一个变量的操作，2（read） 、3（load）、 4（use）这3个操作必须是原子的，而
5（assign）、6（store）、7（write）这3个操作也必须是原子的。

那么我们来看看，它能解决什么问题，因为简单来说就是，读（2 3 4）和写（5 6
7）操作分别都是原子的，相当于CPU每次都是直接和内存交互，所以高速缓存就变得无效了。而高速缓存变得无效，那么基本上，也就没有指令重排了。而由于每次改动都会直接写到内存，每次使用都从内存读取新的数据，所以也就满足了内存可见性。但是由于在读和写之间，其他线程也可以进行读和写，那么还是会出现内存一致性问题的。所以它解决了内存可见性、有序性、但是不能解决内存可见性。

        使用场景：由于volatile的特性，主要可以使用在下面的场景

1、不依赖于变量之前的状态的，比如一个 volatile boolean 来在一个线程中控制另一个线程的运行。

2、禁止指令重排，比如一个线程依赖于另一个线程真正的顺序执行结果，而不是语义上的顺序执行（其实是经过指令重排的）。