volatile vs synchronized

今天来聊一聊Java并发编程中两个常用的关键字：volatile和synchronized。

在介绍这两个关键字之前，首先要搞明白并发编程中的两个问题：

线程之间是如何通信的
线程之间如何同步

Java内存模型

Java线程的通信由Java内存模型（JMM）控制，Java内存模型的抽象如图：

图片来源https://www.jianshu.com/p/8c574a6db31b

Java线程之间的通信总是隐式进行，通信过程对程序员完全透明。多个线程通过读-写共享内存来实现通信。

图中线程A与线程B通信的具体步骤是：

线程A把更新过的共享变量刷新到主内存中
线程B从主内存读取共享变量

例如，共享变量x的初始值为0，线程A将x修改为1（x=x+1），线程B读取到的x就是1，对于程序员来讲，就是线程A给线程B发消息说它把x的值更新为1。

第一个问题搞明白了，再思考一下第二个问题。线程之间如何同步？在并发编程中，有三个重要的概念：原子性、可见性、一致性。

原子性

在Java中，对基本数据类型的读取和赋值操作都属于原子操作。

1 2	x = 10; x = x + 1;

上面两条语句中，第一句是原子操作，而第二句不是，为什么呢？实际上，第二句代码被编译为3条指令：

从内存中取x的值
x+1操作
计算结果存入内存

可见性

当多个线程访问同一变量时，如果有一个线程修改了这个变量，那么其他线程立刻可以看到修改后的值。

有序性

CPU执行指令是按照先后顺序执行的，但是指令的顺序并不一定等同于代码的顺序，编译器编译过程中，为了提高性能，常常进行指令重排序。这种重排序不会改变单线程的语义，也就是说，你写的一段代码如果是单线程执行，编译器可能对执行进行重排序，但不论如何排序，最后得到的结果都是相同的。

另外，如果存在数据依赖性，编译器不会改变依赖关系的执行顺序。数据依赖性是指两个操作访问同一个变量，其中一个是写操作，那么这两个操作就有数据依赖性。

重排序对应多线程有哪些影响呢，我们通过一段代码来看一下：

class ReorderExample {
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    public void writer() {
        a = 1; // 1
        flag = true; // 2
    }
    Public void reader() {
        if (flag) { // 3
        int i = a * a; // 4
    	……
    	}
    }
}

上述代码中，flag是变量a被初始化的标识，如果此时有两个线程A和B，A执行writer()方法，B执行reader()方法。由于1和2、3和4不存在数据依赖性，那么就有可能出现这种情况：

A先执行语句2
B执行了语句3和4
A执行语句1

最终的结果并不是我们想要的，此时，重排序破坏了语义。

线程同步

对于上面所说的线程同步问题如何避免呢？可以使用Java中的volatile和synchronized这两个关键字。

volatile

volatile关键字比较轻量级，只可以修饰变量。volatile修饰的变量，如果值被更新，会立即刷新主内存，而读volatile修饰的变量时，JMM会把线程对应的本地内存置为无效，从主内存中读取。这样volatile就可以保证线程的可见性。

volatile关键字在一定程度上可以保证有序性：

当第二个操作是volatile写时，不能进行重排序
当第一个操作是volatile读时，不能进行重排序
当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读时，不能重排序

为了实现这些语义，JMM采用屏障插入策略：

在volatile写操作前插入StoreStore屏障，后面插入StoreLoad屏障
在volatile读操作后面插入LoadLoad屏障和LoadStore屏障

也就是说，volatile写操作前的所有写操作都必须执行完，且需要等到volatile写操作执行后才能执行读操作。volatile读操作执行完之后才可以进行其他操作。也就是说volatile相当于一个屏障，其前面的操作不能放到volatile操作后面，后面的操作也不能放到volatile操作前面。

synchronized

synchronized比较重量级，可以用来修饰方法。synchronized关键字是给修饰对象加锁，只有获得锁的线程才可以执行，执行完后释放锁。因此synchronized保证了原子性和可见性。

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