volatile 和 synchronized 详解

一、背景

提起并发编程，我们不得不说起 volatile 和 synchronized 这两个关键字，这两个关键字也是面试中常常被问到的，下面我们分别介绍一下这两个关键字以及二者的异同

首先我们先理解关于线程安全的两个名词：内存可见和执行顺序

内存可见：顾名思义就是线程执行结果在内存中对其它线程的可见性

执行顺序：控制代码的执行顺序及是否可以并发执行

二、volatile

volatile 解决的是内存可见性问题

2.1 volatile 原理

volatile原理是基于CPU内存屏障指令实现的

2.2 volatile 修饰的变量可见性

volatile是变量修饰符，其修饰的变量具有内存可见性

一般情况下线程在执行时，Java中为了加快程序的运行效率，会先把主存数据拷贝到线程本地（寄存器或是CPU缓存），操作完成后再把结果从线程本地缓存刷新到主存中，这样就会导致修改后放入变量结果同步到主存中需要一个过程，而此时另外的线程看到的还是修改之前的变量值，这样就会导致不一致

为了解决上述多线程中内存可见的问题，引入了 volatile 关键字，那么它为什么可以解决内存可见性问题呢？

答案： volatile 它会使得所有对 volatile 变量的读写都会直接读写主存，而不是先读写线程本地缓存，这样就保证了变量的内存可见性

2.3 volatile 禁止指令重排

volatile可以禁止进行指令重排

指令重排：处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证各个语句的执行顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行时的正确性

线程执行到volatile修饰变量的读写操作时，其他线程对这个变量的操作肯定已经完成了，且结果已经同步到了主存中，即对其他的线程可见，本线程再对该变量操作完全没有问题的

2.4 volatile 使用范围

volatile关键字仅能实现对原始变量(如boolen、 short 、int 、long等)操作的原子性，不能保证复合操作的原子性，比如 i++

i++，实际上是由三个原子操作组成：read i; inc; write i，假如多个线程同时执行i++，volatile只能保证他们操作的i是同一块内存，但不能保证i结果的正确性，原因如下：

比如有两个线程A和B对volatile修饰的i进行i++操作，i的初始值是0，A线程执行i++时刚读取了i的值0，就切换到B线程了，B线程（从内存中）读取i的值也为0，然后就切换到A线程继续执行i++操作，完成后i就为1了，接着切换到B线程，因为之前已经读取过了，所以继续执行i++操作，最后的结果i就为1了，A和B线程同步到主存中的i的值都是1

2.5 volatile 使用场景

1、对变量的写入操作不依赖变量的当前值，或者只有单个线程更新变量的值

2、该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

三、synchronized

synchronized 既解决了内存可见性问题，又解决了执行顺序问题

synchronized 可以修饰代码块或方法，既可以保证可见性，又能够保证原子性

synchronized 锁具体实现过程：https://blog.csdn.net/ywlmsm1224811/article/details/108322059

3.1 synchronized 原理

synchronized 是基于 monitor 实现的

3.2 synchronized 修饰的代码块或方法保证内存可见性

通过synchronized或者Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存中

3.3 synchronized 修饰的代码块或方法保证原子性

线程要么不执行（线程没有获取到对象锁），线程要么执行到底（线程获取到了对象锁），直到执行完释放锁

3.4 synchronized 使用范围

synchronized 不仅能修饰代码块，还可以修饰方法

3.5 synchronized 使用场景

需要控制多线程访问的方法或者更新的变量

四、volatile 和 synchronized 异同点

4.1 相同点

volatile 和 synchronized 都保证了内存可见性

4.2 不同点

1、volatile仅能使用在变量级别，synchronized则可以使用在变量、方法、和类级别的

2、volatile仅能实现变量的修改可见性，不能保证原子性，而synchronized则可以保证变量的修改可见性和原子性

3、volatile不会造成线程的阻塞，而synchronized可能会造成线程的阻塞

4、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

5、由于 4 中的区别，在某些情况下 volatile 的性能优于 synchronized

五、总结

通过上面对 volatile 和 synchronized 的了解我们知道，volatile 是绝对不能替代 synchronized 的，最主要的原因就是 volatile 不能保证操作的原子性

参考：

https://blog.csdn.net/SEU_Calvin/article/details/52370068

https://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/52611233

https://blog.csdn.net/suifeng3051/article/details/52611310