4個點說清楚Java中synchronized和volatile的區別

作者 ： Hollis

回顧一下兩個關鍵字：synchronized和volatile

1、Java語言為了解決并發編程中存在的原子性、可見性和有序性問題，提供了一系列和并發處理相關的關鍵字，比如synchronized、volatile、final、concurren包等。

2、synchronized通過加鎖的方式，使得其在需要原子性、可見性和有序性這三種特性的時候都可以作為其中一種解決方案，看起來是“萬能”的。的確，大部分并發控制操作都能使用synchronized來完成。

3、volatile通過在volatile變量的操作前后插入內存屏障的方式，保證了變量在并發場景下的可見性和有序性。

4、volatile關鍵字是無法保證原子性的，而synchronized通過monitorenter和monitorexit兩個指令，可以保證被synchronized修飾的代碼在同一時間只能被一個線程訪問，即可保證不會出現CPU時間片在多個線程間切換，即可保證原子性。

那么，我們知道，synchronized和volatile兩個關鍵字是Java并發編程中經常用到的兩個關鍵字，而且，通過前面的回顧，我們知道synchronized可以保證并發編程中不會出現原子性、可見性和有序性問題，而volatile只能保證可見性和有序性，那么，既生synchronized、何生volatile？

接下來，本文就來論述一下，為什么Java中已經有了synchronized關鍵字，還要提供volatile關鍵字。

synchronized的問題

我們都知道synchronized其實是一種加鎖機制，那么既然是鎖，天然就具備以下幾個缺點：

1、有性能損耗

雖然在JDK 1.6中對synchronized做了很多優化，如如適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等，但是他畢竟還是一種鎖。

以上這幾種優化，都是盡量想辦法避免對Monitor進行加鎖，但是，并不是所有情況都可以優化的，況且就算是經過優化，優化的過程也是有一定的耗時的。

所以，無論是使用同步方法還是同步代碼塊，在同步操作之前還是要進行加鎖，同步操作之后需要進行解鎖，這個加鎖、解鎖的過程是要有性能損耗的。

關于二者的性能對比，由于虛擬機對鎖實行的許多消除和優化，使得我們很難量化這兩者之間的性能差距，但是我們可以確定的一個基本原則是：volatile變量的讀操作的性能小號普通變量幾乎無差別，但是寫操作由于需要插入內存屏障所以會慢一些，即便如此，volatile在大多數場景下也比鎖的開銷要低。

2、產生阻塞

關于synchronize的實現原理，無論是同步方法還是同步代碼塊，無論是ACC_SYNCHRONIZED還是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor實現的。

基于Monitor對象，當多個線程同時訪問一段同步代碼時，首先會進入Entry Set，當有一個線程獲取到對象的鎖之后，才能進行The Owner區域，其他線程還會繼續在Entry Set等待。并且當某個線程調用了wait方法后，會釋放鎖并進入Wait Set等待。

所以，synchronize實現的鎖本質上是一種阻塞鎖，也就是說多個線程要排隊訪問同一個共享對象。

而volatile是Java虛擬機提供的一種輕量級同步機制，他是基于內存屏障實現的。說到底，他并不是鎖，所以他不會有synchronized帶來的阻塞和性能損耗的問題。

volatile的附加功能

除了前面我們提到的volatile比synchronized性能好以外，volatile其實還有一個很好的附加功能，那就是禁止指令重排。

我們先來舉一個例子，看一下如果只使用synchronized而不使用volatile會發生什么問題，就拿我們比較熟悉的單例模式來看。

我們通過雙重校驗鎖的方式實現一個單例，這里不使用volatile關鍵字：

?1???public?class?Singleton?{??
?2??????private?static?Singleton?singleton;??
?3???????private?Singleton?(){}??
?4???????public?static?Singleton?getSingleton()?{??
?5???????if?(singleton?==?null)?{??
?6???????????synchronized?(Singleton.class)?{??
?7???????????????if?(singleton?==?null)?{??
?8???????????????????singleton?=?new?Singleton();??
?9???????????????}??
?10???????????}??
?11???????}??
?12???????return?singleton;??
?13???????}??
?14???}

以上代碼，我們通過使用synchronized對Singleton.class進行加鎖，可以保證同一時間只有一個線程可以執行到同步代碼塊中的內容，也就是說singleton = new Singleton()這個操作只會執行一次，這就是實現了一個單例。

但是，當我們在代碼中使用上述單例對象的時候有可能發生空指針異常。這是一個比較詭異的情況。

我們假設Thread1 和 Thread2兩個線程同時請求Singleton.getSingleton方法的時候：

• Step1 ,Thread1執行到第8行，開始進行對象的初始化。

• Step2 ,Thread2執行到第5行，判斷singleton == null。

• Step3 ,Thread2經過判斷發現singleton ！= null，所以執行第12行，返回singleton。

• Step4 ,Thread2拿到singleton對象之后，開始執行后續的操作，比如調用singleton.call()。

以上過程，看上去并沒有什么問題，但是，其實，在Step4，Thread2在調用singleton.call()的時候，是有可能拋出空指針異常的。

之所有會有NPE拋出，是因為在Step3，Thread2拿到的singleton對象并不是一個完整的對象。

什么叫做不完整對象，這個怎么理解呢？

我們這里來先來看一下，singleton = new Singleton();這行代碼到底做了什么事情，大致過程如下：

• 1、虛擬機遇到new指令，到常量池定位到這個類的符號引用。

• 2、檢查符號引用代表的類是否被加載、解析、初始化過。

• 3、虛擬機為對象分配內存。

• 4、虛擬機將分配到的內存空間都初始化為零值。

• 5、虛擬機對對象進行必要的設置。

• 6、執行方法，成員變量進行初始化。

• 7、將對象的引用指向這個內存區域。

我們把這個過程簡化一下，簡化成3個步驟：

• a、JVM為對象分配一塊內存M

• b、在內存M上為對象進行初始化

• c、將內存M的地址復制給singleton變量

如下圖：

因為將內存的地址賦值給singleton變量是最后一步，所以Thread1在這一步驟執行之前，Thread2在對singleton==null進行判斷一直都是true的，那么他會一直阻塞，直到Thread1將這一步驟執行完。

但是，問題就出在以上過程并不是一個原子操作，并且編譯器可能會進行重排序，如果以上步驟被重排成：

• a、JVM為對象分配一塊內存M

• c、將內存的地址復制給singleton變量

• b、在內存M上為對象進行初始化

如下圖：

這樣的話，Thread1會先執行內存分配，在執行變量賦值，最后執行對象的初始化，那么，也就是說，在Thread1還沒有為對象進行初始化的時候，Thread2進來判斷singleton==null就可能提前得到一個false，則會返回一個不完整的sigleton對象，因為他還未完成初始化操作。

這種情況一旦發生，我們拿到了一個不完整的singleton對象，當嘗試使用這個對象的時候就極有可能發生NPE異常。

那么，怎么解決這個問題呢？因為指令重排導致了這個問題，那就避免指令重排就行了。

所以，volatile就派上用場了，因為volatile可以避免指令重排。只要將代碼改成以下代碼，就可以解決這個問題：

?1???public?class?Singleton?{??
?2??????private?volatile?static?Singleton?singleton;??
?3???????private?Singleton?(){}??
?4???????public?static?Singleton?getSingleton()?{??
?5???????if?(singleton?==?null)?{??
?6???????????synchronized?(Singleton.class)?{??
?7???????????????if?(singleton?==?null)?{??
?8???????????????????singleton?=?new?Singleton();??
?9???????????????}??
?10???????????}??
?11???????}??
?12???????return?singleton;??
?13???????}??
?14???}

對singleton使用volatile約束，保證他的初始化過程不會被指令重排。這樣就可以保Thread2 要不然就是拿不到對象，要不然就是拿到一個完整的對象。

synchronized的有序性保證呢？

看到這里可能有朋友會問了，說到底上面問題是發生了指令重排，其實還是個有序性的問題，不是說synchronized是可以保證有序性的么，這里為什么就不行了呢？

首先，可以明確的一點是：synchronized是無法禁止指令重排和處理器優化的。那么他是如何保證的有序性呢？

這就要再把有序性的概念擴展一下了。Java程序中天然的有序性可以總結為一句話：如果在本線程內觀察，所有操作都是天然有序的。如果在一個線程中觀察另一個線程，所有操作都是無序的。

以上這句話也是《深入理解Java虛擬機》中的原句，但是怎么理解呢？周志明并沒有詳細的解釋。這里我簡單擴展一下，這其實和as-if-serial語義有關。

as-if-serial語義的意思指：不管怎么重排序，單線程程序的執行結果都不能被改變。編譯器和處理器無論如何優化，都必須遵守as-if-serial語義。

這里不對as-if-serial語義詳細展開了，簡單說就是，as-if-serial語義保證了單線程中，不管指令怎么重排，最終的執行結果是不能被改變的。

那么，我們回到剛剛那個雙重校驗鎖的例子，站在單線程的角度，也就是只看Thread1的話，因為編譯器會遵守as-if-serial語義，所以這種優化不會有任何問題，對于這個線程的執行結果也不會有任何影響。

但是，Thread1內部的指令重排卻對Thread2產生了影響。

那么，我們可以說，synchronized保證的有序性是多個線程之間的有序性，即被加鎖的內容要按照順序被多個線程執行。但是其內部的同步代碼還是會發生重排序，只不過由于編譯器和處理器都遵循as-if-serial語義，所以我們可以認為這些重排序在單線程內部可忽略。

總結

本文從兩方面論述了volatile的重要性以及不可替代性：

一方面是因為synchronized是一種鎖機制，存在阻塞問題和性能問題，而volatile并不是鎖，所以不存在阻塞和性能問題。

另外一方面，因為volatile借助了內存屏障來幫助其解決可見性和有序性問題，而內存屏障的使用還為其帶來了一個禁止指令重排的附件功能，所以在有些場景中是可以避免發生指令重排的問題的。

所以，在日后需要做并發控制的時候，如果不涉及到原子性的問題，可以優先考慮使用volatile關鍵字。

最后

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