1. volatile

• 定義：Java編程語(yǔ)言允許線程訪問(wèn)共享變量涝桅，為了確保共享變量能被準(zhǔn)確和一致的更新，線程應(yīng)該確保通過(guò)排他鎖單獨(dú)獲得這個(gè)變量烙样。

• 實(shí)現(xiàn)原理：

Java代碼如下：

instance = new Singleton();//instance是volatile變量

轉(zhuǎn)換成匯編代碼：

0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);
0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

有volatile變量修飾的共享變量進(jìn)行寫(xiě)操作的時(shí)候會(huì)多第二行匯編代碼冯遂，lock前綴的指令在多核處理器下會(huì)引發(fā)了兩件事情。

• 將當(dāng)前處理器緩存行的數(shù)據(jù)會(huì)寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存谒获。
• 這個(gè)寫(xiě)回內(nèi)存的操作會(huì)引起在其他CPU里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無(wú)效蛤肌。

處理器為了提高處理速度，不直接和內(nèi)存進(jìn)行通訊批狱，而是先將系統(tǒng)內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)部緩存（L1,L2或其他）后再進(jìn)行操作裸准，但操作完之后不知道何時(shí)會(huì)寫(xiě)到內(nèi)存，如果對(duì)聲明了Volatile變量進(jìn)行寫(xiě)操作赔硫，JVM就會(huì)向處理器發(fā)送一條Lock前綴的指令炒俱，將這個(gè)變量所在緩存行的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到系統(tǒng)內(nèi)存。但是就算寫(xiě)回到內(nèi)存爪膊，如果其他處理器緩存的值還是舊的权悟，再執(zhí)行計(jì)算操作就會(huì)有問(wèn)題，所以在多處理器下推盛，為了保證各個(gè)處理器的緩存是一致的峦阁，就會(huì)實(shí)現(xiàn)緩存一致性協(xié)議，每個(gè)處理器通過(guò)嗅探在總線上傳播的數(shù)據(jù)來(lái)檢查自己緩存的值是不是過(guò)期了耘成，當(dāng)處理器發(fā)現(xiàn)自己緩存行對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址被修改榔昔，就會(huì)將當(dāng)前處理器的緩存行設(shè)置成無(wú)效狀態(tài)，當(dāng)處理器要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改操作的時(shí)候凿跳，會(huì)強(qiáng)制重新從系統(tǒng)內(nèi)存里把數(shù)據(jù)讀到處理器緩存里件豌。

多線程CPU處理機(jī)制

• volatile實(shí)現(xiàn)原則

• Lock前綴指令會(huì)引起處理器緩存回寫(xiě)到內(nèi)存。
• 一個(gè)處理器的緩存回寫(xiě)到內(nèi)存會(huì)導(dǎo)致其他處理器的緩存無(wú)效控嗜。

• volatile使用條件

volatile變量具有 synchronized 的可見(jiàn)性特性茧彤，但是不具備原子性。這就是說(shuō)線程能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn) volatile 變量的最新值疆栏。只能在有限的一些情形下使用 volatile 曾掂。要使 volatile 變量提供理想的線程安全，必須同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件：

• 對(duì)變量的寫(xiě)操作不依賴(lài)于當(dāng)前值壁顶。
• 該變量沒(méi)有包含在具有其他變量的不變式中珠洗。

反例：volatile變量不能用于約束條件中，下面是一個(gè)非線程安全的數(shù)值范圍類(lèi)若专。它包含了一個(gè)不變式 —— 下界總是小于或等于上界许蓖。

public class NumberRange {  
    private volatile int lower;
    private volatile int upper; 
    public int getLower() { return lower; }  
    public int getUpper() { return upper; }  
  
    public void setLower(int value) {   
        if (value > upper)   
            throw new IllegalArgumentException(...);  
        lower = value;  
    }  
  
    public void setUpper(int value) {   
        if (value < lower)   
            throw new IllegalArgumentException(...);  
        upper = value;  
    }  
}

將 lower 和 upper 字段定義為 volatile 類(lèi)型不能夠充分實(shí)現(xiàn)類(lèi)的線程安全；而仍然需要使用同步——使 setLower()和 setUpper() 操作原子化。否則膊爪，如果湊巧兩個(gè)線程在同一時(shí)間使用不一致的值執(zhí)行 setLower 和 setUpper 的話自阱，則會(huì)使范圍處于不一致的狀態(tài)。例如米酬，如果初始狀態(tài)是(0, 5)沛豌，同一時(shí)間內(nèi)，線程 A 調(diào)用setLower(4) 并且線程 B 調(diào)用setUpper(3)赃额，顯然這兩個(gè)操作交叉存入的值是不符合條件的加派，那么兩個(gè)線程都會(huì)通過(guò)用于保護(hù)不變式的檢查，使得最后的范圍值是(4, 3) —— 一個(gè)無(wú)效值

• volatile的適用場(chǎng)景

狀態(tài)標(biāo)志：也許實(shí)現(xiàn) volatile 變量的規(guī)范使用僅僅是使用一個(gè)布爾狀態(tài)標(biāo)志跳芳，用于指示發(fā)生了一個(gè)重要的一次性事件芍锦，例如完成初始化或請(qǐng)求停機(jī)。

volatile boolean isShutdown;  
...    
public void shutdown() {   
    isShutdown = true;   
}  
  
public void doWork() {   
    while (!isShutdown) {   
        // do stuff  
    }  
}

線程1執(zhí)行doWork()的過(guò)程中筛严，可能有另外的線程2調(diào)用了shutdown醉旦，所以boolean變量必須是volatile。
這種類(lèi)型的狀態(tài)標(biāo)記的一個(gè)公共特性是：通常只有一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換桨啃；shutdownRequested 標(biāo)志從false 轉(zhuǎn)換為true，然后程序停止檬输。

開(kāi)銷(xiāo)較低的“讀－寫(xiě)鎖”策略:如果讀操作遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)寫(xiě)操作照瘾，您可以結(jié)合使用內(nèi)部鎖和 volatile 變量來(lái)減少公共代碼路徑的開(kāi)銷(xiāo)。
如下顯示的線程安全的計(jì)數(shù)器丧慈，使用 synchronized 確保增量操作是原子的析命，并使用 volatile 保證當(dāng)前結(jié)果的可見(jiàn)性。如果更新不頻繁的話逃默，該方法可實(shí)現(xiàn)更好的性能鹃愤，因?yàn)樽x路徑的開(kāi)銷(xiāo)僅僅涉及 volatile 讀操作，這通常要優(yōu)于一個(gè)無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的鎖獲取的開(kāi)銷(xiāo)完域。

public class CheesyCounter {  
    // Employs the cheap read-write lock trick  
    // All mutative operations MUST be done with the 'this' lock held  
    @GuardedBy("this") private volatile int value;  
  
    //讀操作软吐，沒(méi)有synchronized，提高性能  
    public int getValue() {   
        return value;   
    }   
  
    //寫(xiě)操作吟税，必須synchronized凹耙。因?yàn)閤++不是原子操作  
    public synchronized int increment() {  
        return value++;  
    }  
}

使用鎖進(jìn)行所有變化的操作，使用 volatile 進(jìn)行只讀操作肠仪。
其中肖抱，鎖一次只允許一個(gè)線程訪問(wèn)值，volatile 允許多個(gè)線程執(zhí)行讀操作异旧。

2. synchronized

• 介紹

  • 在多線程并發(fā)編程中synchronized一直是元老級(jí)角色意述，很多人都會(huì)稱(chēng)呼它為重量級(jí)鎖，但是隨著Java SE1.6對(duì)Synchronized進(jìn)行了各種優(yōu)化之后，有些情況下它并不那么重了荤崇。Java SE1.6中為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來(lái)的性能消耗而引入的偏向鎖和輕量級(jí)鎖拌屏，以及鎖的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和升級(jí)過(guò)程。

  • 關(guān)鍵字synchronized可以修飾方法或者以同步塊的形式來(lái)使用天试，他主要確保多個(gè)線程在同一個(gè)時(shí)刻槐壳，只能有一個(gè)線程處于方法或者同步塊中，他保證了線程對(duì)變量訪問(wèn)的可見(jiàn)性和排他性喜每。

• synchronized特點(diǎn)

  把代碼塊聲明為 synchronized务唐，有兩個(gè)重要后果，通常是指該代碼具有原子性（atomicity）和 可見(jiàn)性（visibility）带兜。

  • 原子性意味著個(gè)時(shí)刻枫笛，只有一個(gè)線程能夠執(zhí)行一段代碼，這段代碼通過(guò)一個(gè)monitor object保護(hù)刚照。從而防止多個(gè)線程在更新共享狀態(tài)時(shí)相互沖突刑巧。 所謂原子性操作是指不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)子打斷的操作，這種操作一旦開(kāi)始无畔，就一直到幸運(yùn)星結(jié)束啊楚，中間不會(huì)有任何切換（切換線程）。
  • 可見(jiàn)性則更為微妙浑彰，它必須確保釋放鎖之前對(duì)共享數(shù)據(jù)做出的更改對(duì)于隨后獲得該鎖的另一個(gè)線程是可見(jiàn)的恭理。 —— 如果沒(méi)有同步機(jī)制提供的這種可見(jiàn)性保證，線程看到的共享變量可能是修改前的值或不一致的值郭变，這將引發(fā)許多嚴(yán)重問(wèn)題颜价。

• synchronized實(shí)現(xiàn)同步的基礎(chǔ)

Java中的每一個(gè)對(duì)象都可以作為鎖。具體表現(xiàn)為一下3中形式：

• 對(duì)于普通的同步方法诉濒，鎖是當(dāng)先實(shí)例對(duì)象周伦。
• 對(duì)于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類(lèi)的Class對(duì)象未荒。
• 對(duì)于同步方法塊专挪，鎖是Synchronized括號(hào)里配置的對(duì)象。

示例代碼：

public class SynchronizedTest2 {  
      
    // synchronized關(guān)鍵字修飾靜態(tài)的方法 同步方法  
    public synchronized static void printNum1(){   
        for(int i = 0; i < 10; i++) {  
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);  
        }  
    }  
      
    // synchronized關(guān)鍵字使用類(lèi)鎖   同步代碼塊  
    public static void printNum2(){   
        synchronized(SynchronizedTest2.class) {  
            for(int i = 0; i < 10; i++) {  
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);  
            }  
        }  
    }  
      
    // synchronized關(guān)鍵字修飾 同步方法  這里使用的是對(duì)象鎖  
    public synchronized void printNum3(){   
        for(int i = 0; i < 10; i++) {  
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + i);  
        }  
    }  
      
    public static void main(String[] args) {  
        // TODO Auto-generated method stub  
        final SynchronizedTest2 test = new SynchronizedTest2();  
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {  
            public void run() {  
                SynchronizedTest2.printNum1();  
            }  
        },"A");  
          
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {  
            public void run() {  
                SynchronizedTest2.printNum2();  
            }  
        },"B");  
          
        Thread t3 = new Thread(new Runnable() {  
            public void run() {  
                test.printNum3();  
            }  
        },"C");  
        t1.start();  
        t2.start();  
        t3.start();  
    }  
}  

• 以上代碼中 靜態(tài)方法printNum1() 和 printNum2() 使用的都是類(lèi)鎖茄猫，方法printNum3()使用的是當(dāng)前對(duì)象的鎖狈蚤。

• 我們開(kāi)了三個(gè)線程A,B,C分別運(yùn)行printNum1()，printNum2()划纽，printNum3()方法 從結(jié)果中我們可以看到 線程A和線程B是始終同步的脆侮，線程C和線程A,B之間沒(méi)有同步關(guān)系

• 實(shí)現(xiàn)原理

  示例代碼： Synchronized.java

public class Synchronized {

    public static void main(String[] args) {
        synchronized (Synchronized.class){//對(duì)Synchronized class對(duì)象進(jìn)行加鎖
            
        }
        m();//靜態(tài)同步方法，對(duì)Synchronized class對(duì)象進(jìn)行加鎖
    }

    public synchronized static void m() {

    }
}

在Synchronized.class同級(jí)目錄執(zhí)行javap -v Synchronized.class勇劣，以下是相關(guān)部分的輸出：

public static void main(java.lang.String[]);  
// 方法修飾符靖避，表示：public staticflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC  
Code:  
stack=2, locals=1, args_size=1  
0: ldc #1　　// class com/murdock/books/multithread/book/Synchronized  
2: dup  
3: monitorenter　　// monitorenter：監(jiān)視器進(jìn)入潭枣，獲取鎖  
4: monitorexit　　 // monitorexit：監(jiān)視器退出，釋放鎖  
5: invokestatic　　#16 // Method m:()V  
8: return  
public static synchronized void m();  
// 方法修飾符幻捏，表示： public static synchronized  
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED  
Code:  
stack=0, locals=0, args_size=0  
0: return 

• 上面class信息中盆犁，對(duì)于同步塊的實(shí)現(xiàn)使用了monitorenter和monitorexit指令，而同步方法則是依靠方法修飾符上的ACC_SYNCHRONIZED來(lái)完成的篡九。無(wú)論采用哪種方式谐岁，其本質(zhì)是對(duì)一個(gè)對(duì)象的監(jiān)視器（monitor）進(jìn)行獲取，而這個(gè)獲取過(guò)程是排他的榛臼，也就是同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程獲取到由synchronized所保護(hù)對(duì)象的監(jiān)視器伊佃。
• 任意一個(gè)對(duì)象都擁有自己的監(jiān)視器，當(dāng)這個(gè)對(duì)象由同步塊或者這個(gè)對(duì)象的同步方法調(diào)用時(shí)沛善，執(zhí)行方法的線程必須先獲取到該對(duì)象的監(jiān)視器才能進(jìn)入同步塊或者同步方法航揉，而沒(méi)有獲取到監(jiān)視器（執(zhí)行該方法）的線程將會(huì)被阻塞在同步塊和同步方法的入口處，進(jìn)入BLOCKED狀態(tài)金刁。

下圖描述了對(duì)象帅涂、對(duì)象的監(jiān)視器、同步隊(duì)列和執(zhí)行線程之間的關(guān)系尤蛮。

從圖中可以看到媳友，任意線程對(duì)Object（Object由synchronized保護(hù)）的訪問(wèn)，首先要獲得Object的監(jiān)視器产捞。如果獲取失敗庆锦，線程進(jìn)入同步隊(duì)列，線程狀態(tài)變?yōu)锽LOCKED轧葛。當(dāng)訪問(wèn)Object的前驅(qū)（獲得了鎖的線程）釋放了鎖，則該釋放操作喚醒阻塞在同步隊(duì)列中的線程艇搀，使其重新嘗試對(duì)監(jiān)視器的獲取尿扯。

• 線程等待/同步機(jī)制

等待/通知機(jī)制，是指一個(gè)線程A調(diào)用了對(duì)象O的wait()方法進(jìn)入等待狀態(tài)焰雕，而另一個(gè)線程B調(diào)用了對(duì)象O的notify()或者notifyAll()方法衷笋，線程A收到通知后從對(duì)象O的wait()方法返回，進(jìn)而執(zhí)行后續(xù)操作矩屁。上述兩個(gè)線程通過(guò)對(duì)象O來(lái)完成交互辟宗，而對(duì)象上的wait()和notify/notifyAll()的關(guān)系就如同開(kāi)關(guān)信號(hào)一樣，用來(lái)完成等待方和通知方之間的交互工作吝秕。

下面我們直接使用對(duì)象鎖的相關(guān)條件實(shí)現(xiàn)一個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者案例：

public class SynchronizedTest3 {  
      
    private Object object = new Object();  
      
    private List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();  
      
    private boolean flag = true;  
      
      
    // 這里我們使用object對(duì)象的鎖泊脐，以及該鎖的條件對(duì)象  
    // 生產(chǎn)者線程一次生產(chǎn)一個(gè)數(shù)據(jù)5  
    public void produce() throws InterruptedException {  
        synchronized(object) {  
            while(flag){  
                if (list.size() > 0){  
                    object.wait();  
                } else {  
                    list.add(5);  
                    System.out.println("生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)據(jù)");  
                    object.notifyAll();  
                }  
            }  
        }  
          
    }  
      
    // 消費(fèi)者線程每次消費(fèi)一個(gè)數(shù)據(jù)  
    public void consume() throws InterruptedException {  
        synchronized(object){  
            while(flag){  
                if (list.size() <= 0) {  
                    object.wait();  
                } else {  
                    System.out.println(list.remove(0));  
                    System.out.println("消費(fèi)者消費(fèi)數(shù)據(jù)");  
                    object.notifyAll();  
                }  
            }  
        }  
    }  
      
      
      
    public boolean isFlag() {  
        return flag;  
    }  
  
    public void setFlag(boolean flag) {  
        this.flag = flag;  
    }  
  
    public static void main(String[] args) {  
        // TODO Auto-generated method stub  
        final SynchronizedTest3 test = new SynchronizedTest3();  
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {  
            public void run() {  
                try {  
                    test.produce();  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    // TODO Auto-generated catch block  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
        });  
          
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {  
            public void run() {  
                try {  
                    test.consume();  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    // TODO Auto-generated catch block  
                    e.printStackTrace();  
                }  
            }  
        });  
          
        t1.start();  
        t2.start();  
          
        try {  
            Thread.sleep(10);  
        } catch (InterruptedException e) {  
            // TODO Auto-generated catch block  
            e.printStackTrace();  
        }  
        test.setFlag(false);  
    }  
  
}  

• 生產(chǎn)者線程檢查容器list中是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)則調(diào)用object.wait()使得生產(chǎn)者線程進(jìn)入該條件的等待集中烁峭，如果容器中沒(méi)有數(shù)據(jù)容客，則生產(chǎn)者線程生產(chǎn)數(shù)據(jù)放入list中秕铛，讓后調(diào)用object.notifyAll()方法從該條件等待集中所有線程的阻塞狀態(tài)。
• 消費(fèi)者線程檢查容器中是否有數(shù)據(jù)缩挑，如果有數(shù)據(jù)則消費(fèi)數(shù)據(jù)然后調(diào)用notifyAll()方法但两，是的處于該條件等待集中的生產(chǎn)者線程解除阻塞狀態(tài)。如果沒(méi)有數(shù)據(jù)調(diào)用object.wait()方法是的消費(fèi)者線程進(jìn)入該條件的等待集中供置。

下圖描述了上述示例的全過(guò)程谨湘。

等待通知機(jī)制