Java语言为了解决并发编程中存在的原子性、可见性和有序性问题，提供了一系列和并发处理相关的关键字，比如synchronized、volatile、final、concurren包等。

1. synchronized

1.1 用法

synchronized是Java提供的一个并发控制的关键字。主要有两种用法，分别是同步方法和同步代码块。也就是说，synchronized既可以修饰方法也可以修饰代码块。

  1. public class SynchronizedDemo {
  2.      //同步方法
  3.     public synchronized void doSth(){
  4.         System.out.println("Hello World");
  5.     }
  6.     //同步代码块
  7.     public void doSth1(){
  8.         synchronized (SynchronizedDemo.class){
  9.             System.out.println("Hello World");
  10.         }
  11.     }
  12. }

被synchronized修饰的代码块及方法，在同一时间，只能被单个线程访问。

1.2 实现原理

synchronized，是Java中用于解决并发情况下数据同步访问的一个很重要的关键字。当我们想要保证一个共享资源在同一时间只会被一个线程访问到时，我们可以在代码中使用synchronized关键字对类或者对象加锁

  • 对于同步方法，JVM采用ACC_SYNCHRONIZED标记符来实现同步
  • 对于同步代码块。JVM采用monitorenter、monitorexit两个指令来实现同步。

    1.2.1 同步方法

    方法级的同步是隐式的。同步方法的常量池中会有一个ACC_SYNCHRONIZED标志。当某个线程要访问某个方法的时候，会检查是否有ACC_SYNCHRONIZED，如果有设置，则需要先获得监视器锁，然后开始执行方法，方法执行之后再释放监视器锁。这时如果其他线程来请求执行方法，会因为无法获得监视器锁而被阻断住。值得注意的是，如果在方法执行过程中，发生了异常，并且方法内部并没有处理该异常，那么在异常被抛到方法外面之前监视器锁会被自动释放。

    1.2.2 同步代码块

    同步代码块使用monitorenter和monitorexit两个指令实现。可以把执行monitorenter指令理解为加锁，执行monitorexit理解为释放锁。 每个对象维护着一个记录着被锁次数的计数器。未被锁定的对象的该计数器为0，当一个线程获得锁（执行monitorenter）后，该计数器自增变为 1 ，当同一个线程再次获得该对象的锁的时候，计数器再次自增。当同一个线程释放锁（执行monitorexit指令）的时候，计数器再自减。当计数器为0的时候。锁将被释放，其他线程便可以获得锁。

无论是ACC_SYNCHRONIZED还是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor实现的，在Java虚拟机(HotSpot)中，Monitor是基于C++实现的，由ObjectMonitor实现。
ObjectMonitor类中提供了几个方法，如enter、exit、wait、notify、notifyAll等。sychronized加锁的时候，会调用objectMonitor的enter方法，解锁的时候会调用exit方法

1.3 synchronized与原子性

原子性是指一个操作是不可中断的，要全部执行完成，要不就都不执行。
线程是CPU调度的基本单位。CPU有时间片的概念，会根据不同的调度算法进行线程调度。当一个线程获得时间片之后开始执行，在时间片耗尽之后，就会失去CPU使用权。所以在多线程场景下，由于时间片在线程间轮换，就会发生原子性问题。

在Java中，为了保证原子性，提供了两个高级的字节码指令monitorenter和monitorexit。前面中，介绍过，这两个字节码指令，在Java中对应的关键字就是synchronized。
通过monitorenter和monitorexit指令，可以保证被synchronized修饰的代码在同一时间只能被一个线程访问，在锁未释放之前，无法被其他线程访问到。因此，在Java中可以使用synchronized来保证方法和代码块内的操作是原子性的。

线程1在执行monitorenter指令的时候，会对Monitor进行加锁，加锁后其他线程无法获得锁，除非线程1主动解锁。即使在执行过程中，由于某种原因，比如CPU时间片用完，线程1放弃了CPU，但是，他并没有进行解锁。而由于synchronized的锁是可重入的，下一个时间片还是只能被他自己获取到，还是会继续执行代码。直到所有代码执行完。这就保证了原子性。

1.4 synchronized与可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
Java内存模型规定了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该线程中是用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的传递均需要自己的工作内存和主存之间进行数据同步进行。所以，就可能出现线程1改了某个变量的值，但是线程2不可见的情况。
前面我们介绍过，被synchronized修饰的代码，在开始执行时会加锁，执行完成后会进行解锁。而为了保证可见性，有一条规则是这样的：对一个变量解锁之前，必须先把此变量同步回主存中。这样解锁后，后续线程就可以访问到被修改后的值。
所以，synchronized关键字锁住的对象，其值是具有可见性的。

1.5 synchronized与有序性

有序性即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

除了引入了时间片以外，由于处理器优化和指令重排等，CPU还可能对输入代码进行乱序执行，比如load->add->save 有可能被优化成load->save->add 。这就是可能存在有序性问题。
这里需要注意的是，synchronized是无法禁止指令重排和处理器优化的。也就是说，synchronized无法避免上述提到的问题。
那么，为什么还说synchronized也提供了有序性保证呢？
这就要再把有序性的概念扩展一下了。Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有操作都是天然有序的。如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。
以上这句话也是《深入理解Java虚拟机》中的原句，但是怎么理解呢？周志明并没有详细的解释。这里我简单扩展一下，这其实和as-if-serial语义有关。
as-if-serial语义的意思指：不管怎么重排序（编译器和处理器为了提高并行度），单线程程序的执行结果都不能被改变。编译器和处理器无论如何优化，都必须遵守as-if-serial语义。
这里不对as-if-serial语义详细展开了，简单说就是，as-if-serial语义保证了单线程中，指令重排是有一定的限制的，而只要编译器和处理器都遵守了这个语义，那么就可以认为单线程程序是按照顺序执行的。当然，实际上还是有重排的，只不过我们无须关心这种重排的干扰。
所以呢，由于synchronized修饰的代码，同一时间只能被同一线程访问。那么也就是单线程执行的。所以，可以保证其有序性。

1.6 synchronized与锁优化

前面介绍了synchronized的用法、原理以及对并发编程的作用。是一个很好用的关键字。
synchronized其实是借助Monitor实现的，在加锁时会调用objectMonitor的enter方法，解锁的时候会调用exit方法。事实上，只有在JDK1.6之前，synchronized的实现才会直接调用ObjectMonitor的enter和exit，这种锁被称之为重量级锁。
所以，在JDK1.6中出现对锁进行了很多的优化，进而出现轻量级锁，偏向锁，锁消除，适应性自旋锁，锁粗化(自旋锁在1.4就有，只不过默认的是关闭的，jdk1.6是默认开启的)，这些操作都是为了在线程之间更高效的共享数据 ，解决竞争问题。

2. volatile

2.1 用法

volatile通常被比喻成”轻量级的synchronized“，也是Java并发编程中比较重要的一个关键字。和synchronized不同，volatile是一个变量修饰符，只能用来修饰变量。无法修饰方法及代码块等。
volatile的用法比较简单，只需要在声明一个可能被多线程同时访问的变量时，使用volatile修饰就可以了。

  2. public class Singleton {  
  3.     private volatile static Singleton singleton;  
  4.     private Singleton (){}  
  5.     public static Singleton getSingleton() {  
  6.     if (singleton == null) {  
  7.         synchronized (Singleton.class) {  
  8.         if (singleton == null) {  
  9.             singleton = new Singleton();  
  10.         }  
  11.         }  
  13.     }  
  14.     return singleton;  
  15.     }  
  16. }

如以上代码，是一个比较典型的使用双重锁校验的形式实现单例的，其中使用volatile关键字修饰可能被多个线程同时访问到的singleton。

2.2 原理

为了提高处理器的执行速度，在处理器和内存之间增加了多级缓存来提升。但是由于引入了多级缓存，就存在缓存数据不一致问题。
但是，对于volatile变量，当对volatile变量进行写操作的时候，JVM会向处理器发送一条lock前缀的指令，将这个缓存中的变量回写到系统主存中。
但是就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会有问题，所以在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议
缓存一致性协议：每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作的时候，会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。
所以，如果一个变量被volatile所修饰的话，在每次数据变化之后，其值都会被强制刷入主存。而其他处理器的缓存由于遵守了缓存一致性协议，也会把这个变量的值从主存加载到自己的缓存中。这就保证了一个volatile在并发编程中，其值在多个缓存中是可见的。

2.3 volatile与可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

Java内存模型规定了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该线程中是用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接读写主内存。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量的传递均需要自己的工作内存和主存之间进行数据同步进行。所以，就可能出现线程1改了某个变量的值，但是线程2不可见的情况。
前面的关于volatile的原理中介绍过了，Java中的volatile关键字提供了一个功能，那就是被其修饰的变量在被修改后可以立即同步到主内存，被其修饰的变量在每次是用之前都从主内存刷新。因此，可以使用volatile来保证多线程操作时变量的可见性。

2.4 volatile与有序性

有序性即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

除了引入了时间片以外，由于处理器优化和指令重排等，CPU还可能对输入代码进行乱序执行，比如load->add->save 有可能被优化成load->save->add 。这就是可能存在有序性问题。
而volatile除了可以保证数据的可见性之外，还有一个强大的功能，那就是他可以禁止指令重排优化等。
普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所依赖的赋值结果的地方都能获得正确的结果，而不能保证变量的赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。
volatile可以禁止指令重排，这就保证了代码的程序会严格按照代码的先后顺序执行。这就保证了有序性。被volatile修饰的变量的操作，会严格按照代码顺序执行，load->add->save 的执行顺序就是：load、add、save。

2.5 volatile与原子性

原子性是指一个操作是不可中断的，要全部执行完成，要不就都不执行。

线程是CPU调度的基本单位。CPU有时间片的概念，会根据不同的调度算法进行线程调度。当一个线程获得时间片之后开始执行，在时间片耗尽之后，就会失去CPU使用权。所以在多线程场景下，由于时间片在线程间轮换，就会发生原子性问题。

为了保证原子性，需要通过字节码指令monitorenter和monitorexit，但是volatile和这两个指令之间是没有任何关系的。
所以，volatile是不能保证原子性的。
在以下两个场景中可以使用volatile来代替synchronized：

1、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会修改变量的值。 2、变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束。

除以上场景外，都需要使用其他方式来保证原子性，如synchronized或者concurrent包。
我们来看一下volatile和原子性的例子：

  1. public class Test {
  2.     public volatile int inc = 0;
  3.     public void increase() {
  4.         inc++;
  5.     }
  6.     public static void main(String[] args) {
  7.         final Test test = new Test();
  8.         for(int i=0;i<10;i++){
  9.             new Thread(){
  10.                 public void run() {
  11.                     for(int j=0;j<1000;j++)
  12.                         test.increase();
  13.                 };
  14.             }.start();
  15.         }
  16.         while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
  17.             Thread.yield();
  18.         System.out.println(test.inc);
  19.     }
  20. }

以上代码比较简单，就是创建10个线程，然后分别执行1000次i++操作。正常情况下，程序的输出结果应该是10000，但是，多次执行的结果都小于10000。这其实就是volatile无法满足原子性的原因。

3. 总结

synchronized可以保证原子性、有序性和可见性。而volatile却只能保证有序性和可见性。

3.1 synchronized的问题

我们都知道synchronized其实是一种加锁机制，那么既然是锁，天然就具备以下几个缺点：
1、有性能损耗
虽然在JDK 1.6中对synchronized做了很多优化，如如适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等（深入理解多线程（五）—— Java虚拟机的锁优化技术），但是他毕竟还是一种锁。
以上这几种优化，都是尽量想办法避免对Monitor（深入理解多线程（四）—— Moniter的实现原理）进行加锁，但是，并不是所有情况都可以优化的，况且就算是经过优化，优化的过程也是有一定的耗时的。
所以，无论是使用同步方法还是同步代码块，在同步操作之前还是要进行加锁，同步操作之后需要进行解锁，这个加锁、解锁的过程是要有性能损耗的。
关于二者的性能对比，由于虚拟机对锁实行的许多消除和优化，使得我们很难量化这两者之间的性能差距，但是我们可以确定的一个基本原则是：volatile变量的读操作的性能小号普通变量几乎无差别，但是写操作由于需要插入内存屏障所以会慢一些，即便如此，volatile在大多数场景下也比锁的开销要低。
2、产生阻塞

synchronize的实现原理，无论是同步方法还是同步代码块，无论是ACC_SYNCHRONIZED还是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor实现的。
基于Monitor对象，当多个线程同时访问一段同步代码时，首先会进入Entry Set，当有一个线程获取到对象的锁之后，才能进行The Owner区域，其他线程还会继续在Entry Set等待。并且当某个线程调用了wait方法后，会释放锁并进入Wait Set等待。
synchronized与volatile - 图1
所以，synchronize实现的锁本质上是一种阻塞锁，也就是说多个线程要排队访问同一个共享对象。
而volatile是Java虚拟机提供的一种轻量级同步机制，他是基于内存屏障实现的。说到底，他并不是锁，所以他不会有synchronized带来的阻塞和性能损耗的问题。

3.2 volatile的附加功能

除了前面我们提到的volatile比synchronized性能好以外，volatile其实还有一个很好的附加功能，那就是禁止指令重排。
我们先来举一个例子，看一下如果只使用synchronized而不使用volatile会发生什么问题，就拿我们比较熟悉的单例模式来看。
我们通过双重校验锁的方式实现一个单例，这里不使用volatile关键字：

  2. 1   public class Singleton {  
  3.  2      private static Singleton singleton;  
  4.  3       private Singleton (){}  
  5.  4       public static Singleton getSingleton() {  
  6.  5       if (singleton == null) {  
  7.  6           synchronized (Singleton.class) {  
  8.  7               if (singleton == null) {  
  9.  8                   singleton = new Singleton();  
  10.  9               }  
  11.  10           }  
  12.  11       }  
  13.  12       return singleton;  
  14.  13       }  
  15.  14   }

以上代码，我们通过使用synchronized对Singleton.class进行加锁，可以保证同一时间只有一个线程可以执行到同步代码块中的内容，也就是说singleton = new Singleton()这个操作只会执行一次，这就是实现了一个单例。
但是，当我们在代码中使用上述单例对象的时候有可能发生空指针异常。这是一个比较诡异的情况。
我们假设Thread1 和 Thread2两个线程同时请求Singleton.getSingleton方法的时候：
synchronized与volatile - 图2
Step1 ,Thread1执行到第8行，开始进行对象的初始化。
Step2 ,Thread2执行到第5行，判断singleton == null。
Step3 ,Thread2经过判断发现singleton ！= null，所以执行第12行，返回singleton
Step4 ,Thread2拿到singleton对象之后，开始执行后续的操作，比如调用singleton.call()。
以上过程，看上去并没有什么问题，但是，其实，在Step4，Thread2在调用singleton.call()的时候，是有可能抛出空指针异常的。
之所有会有NPE抛出，是因为在Step3，Thread2拿到的singleton对象并不是一个完整的对象。
我们这里来分析一下，singleton = new Singleton();这行代码到底做了什么事情，大致过程如下：
1、虚拟机遇到new指令，到常量池定位到这个类的符号引用。 2、检查符号引用代表的类是否被加载、解析、初始化过。 3、虚拟机为对象分配内存。 4、虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值。 5、虚拟机对对象进行必要的设置。 6、执行方法，成员变量进行初始化。 7、将对象的引用指向这个内存区域。
我们把这个过程简化一下，简化成3个步骤：
a、JVM为对象分配一块内存M b、在内存M上为对象进行初始化 c、将内存M的地址复制给singleton变量
synchronized与volatile - 图3
因为将内存的地址赋值给singleton变量是最后一步，所以Thread1在这一步骤执行之前，Thread2在对singleton==null进行判断一直都是true的，那么他会一直阻塞，直到Thread1将这一步骤执行完。
但是，以上过程并不是一个原子操作，并且编译器可能会进行重排序，如果以上步骤被重排成：
a、JVM为对象分配一块内存M c、将内存的地址复制给singleton变量 b、在内存M上为对象进行初始化
synchronized与volatile - 图4
这样的话，Thread1会先执行内存分配，在执行变量赋值，最后执行对象的初始化，那么，也就是说，在Thread1还没有为对象进行初始化的时候，Thread2进来判断singleton==null就可能提前得到一个false，则会返回一个不完整的sigleton对象，因为他还未完成初始化操作。
这种情况一旦发生，我们拿到了一个不完整的singleton对象，当尝试使用这个对象的时候就极有可能发生NPE异常。
那么，怎么解决这个问题呢？因为指令重排导致了这个问题，那就避免指令重排就行了。
所以，volatile就派上用场了，因为volatile可以避免指令重排。只要将代码改成以下代码，就可以解决这个问题：

  2. 1   public class Singleton {  
  3.  2      private volatile static Singleton singleton;  
  4.  3       private Singleton (){}  
  5.  4       public static Singleton getSingleton() {  
  6.  5       if (singleton == null) {  
  7.  6           synchronized (Singleton.class) {  
  8.  7               if (singleton == null) {  
  9.  8                   singleton = new Singleton();  
  10.  9               }  
  11.  10           }  
  12.  11       }  
  13.  12       return singleton;  
  14.  13       }  
  15.  14   }

对singleton使用volatile约束，保证他的初始化过程不会被指令重排。

3.3 synchronized的有序性保证呢？

看到这里可能有朋友会问了，说到底上面问题还是个有序性的问题，不是说synchronized是可以保证有序性的么，这里为什么就不行了呢？
首先，可以明确的一点是：synchronized是无法禁止指令重排和处理器优化的。那么他是如何保证的有序性呢？
这就要再把有序性的概念扩展一下了。Java程序中天然的有序性可以总结为一句话：如果在本线程内观察，所有操作都是天然有序的。如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。
以上这句话也是《深入理解Java虚拟机》中的原句，但是怎么理解呢？周志明并没有详细的解释。这里我简单扩展一下，这其实和as-if-serial语义有关。
as-if-serial语义的意思指：不管怎么重排序，单线程程序的执行结果都不能被改变。编译器和处理器无论如何优化，都必须遵守as-if-serial语义。
这里不对as-if-serial语义详细展开了，简单说就是，as-if-serial语义保证了单线程中，不管指令怎么重排，最终的执行结果是不能被改变的。
那么，我们回到刚刚那个双重校验锁的例子，站在单线程的角度，也就是只看Thread1的话，因为编译器会遵守as-if-serial语义，所以这种优化不会有任何问题，对于这个线程的执行结果也不会有任何影响。
但是，Thread1内部的指令重排却对Thread2产生了影响。
那么，我们可以说，synchronized保证的有序性是多个线程之间的有序性，即被加锁的内容要按照顺序被多个线程执行。但是其内部的同步代码还是会发生重排序，只不过由于编译器和处理器都遵循as-if-serial语义，所以我们可以认为这些重排序在单线程内部可忽略。
本文从两方面论述了volatile的重要性以及不可替代性：

  • 一方面是因为synchronized是一种锁机制，存在阻塞问题和性能问题，而volatile并不是锁，所以不存在阻塞和性能问题。
  • 另外一方面，因为volatile借助了内存屏障来帮助其解决可见性和有序性问题，而内存屏障的使用还为其带来了一个禁止指令重排的附件功能，所以在有些场景中是可以避免发生指令重排的问题的。