volatile关键字和synchronized关键字的区别

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本文介绍了volatile关键字和synchronized关键字的区别

一句话概括

volatile保证了线程间的可见性和有序性

synchronized保证了线程间的原子性（同时保证了可见性和有序性）

Java内存模型

首先，为了说明两者的区别，先要引出一个概念——Java内存模型(JMM)，该模型用于屏蔽各种硬件和操作系统带来的内存访问的差异，定义了程序中各个变量**（不包括局部变量和方法参数，因为这些是线程私有的）的访问规则。

JMM规定所有的变量都存储在主内存中，每条线程还有自己的工作内存，线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取，赋值等）都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存中的变量，不同线程也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成

需要注意的是，这里Java内存模型中的主内存，工作内存和Java内存区域中的Heap，Stack，方法区等是没有关系的，如果非要类比，主内存可以对应Heap中的对象实例的数据部分，工作内存对应JVM Stack中的部分区域。

volatile语义

volatile关键字可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制。

当一个变量定义为volatile时，它将具备两种特性：

第一，保证此变量对所有线程的可见性。这里的可见性指的是当一条线程修改了这个变量的值，新值对于其他线程来说是可以立即得知的。普通变量不能做到这一点，普通变量的值在线程间传递都需要通过主内存来完成。

第二，禁止指令重排序优化。

举例说明

如下图所示，有两个线程t1和t2，它们都需要使用对象A中的变量flag，这两个线程都会从主内存中copy一份对象A的变量flag，放到它们各自的线程工作内存中，然后在运行期间直接使用这份copy。

当t2线程需要修改flag的值，它会先把自己工作区的flag修改然后存入主内存中，但是t1并不会去访问heap中的flag，而是依旧使用自己工作区的copy。

当volatile关键字作用到变量flag上，将会强制所有线程都去主线程中读取变量flag的值。

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示例代码

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/**
 * 示例代码中有两个线程，主线程和main方法中启动的线程t1
 */
public class T {
	/*volatile*/ boolean flag = true; //对比一下有无volatile的情况下，整个程序运行结果的区别
	
    public void m() {
		System.out.println("m start");
		while(flag) {
			
		}
		System.out.println("m end!");
	}
    
    public void shutdown() {
        flag = false;
    }
	
	public static void main(String[] args) {
		T t = new T();
		
		new Thread(t::m, "t1").start();
		
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
        // 主线程更改flag的值
		shutdown();		
	}	
}

以上代码开启了一个线程t1，该线程执行m方法，如果不加volatile关键字，在主线程中更改flag的值，并不会使循环停止，这是由于t1线程执行时使用的是来自主线程的拷贝，并不会在执行时访问主线程，而volatile关键词使得主线程对flag的修改对于线程t1来说是可见的，t1会刷新flag的值并结束循环。

使用场景

由于volatile变量只能保证可见性，在不符合以下两条规则的场景中，我们仍需要通过加锁（使用synchronized或java.util.concurrent中的Atomic类）来保证原子性。

  • 运算结果并不依赖变量的当前值，或者能够确保只有单一的线程修改变量的值
  • 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

前面举的列子就很适合使用volatile变量来控制并发，当shutdown()被调用时，能保证所有线程中的m()方法立即停止。

大多数情况下使用volatile比synchronized开销低，选择的唯一依据就是我们是否在保证可见性和有序性的基础上，还需要保证原子性。