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之前的文章中我們介紹過兩個在Java并發程式設計中比較重要的兩個關鍵字：synchronized和volatile
簡單回顧一下相關内容：
1、Java語言為了解決并發程式設計中存在的原子性、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。的确，大部分并發控制操作都能使用synchronized來完成。
3、volatile通過在volatile變量的操作前後插入記憶體屏障的方式，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隻能被一個線程通路，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。
那麼，我們知道，synchronized和volatile兩個關鍵字是Java并發程式設計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可以保證并發程式設計中不會出現原子性、可見性和有序性問題，而volatile隻能保證可見性和有序性，那麼，既生synchronized、何生volatile？
接下來，本文就來論述一下，為什麼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，那麼既然是鎖，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，如如适應性自旋、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。
是以，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，同步操作之後需要進行解鎖，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，由于虛拟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，但是我們可以确定的一個基本原則是：volatile變量的讀操作的性能小号普通變量幾乎無差别，但是寫操作由于需要插入記憶體屏障是以會慢一些，即便如此，volatile在大多數場景下也比鎖的開銷要低。
2、産生阻塞
我們在深入了解多線程（一）——Synchronized的實作原理中介紹過關于synchronize的實作原理，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實作的。
基于Monitor對象，當多個線程同時通路一段同步代碼時，首先會進入Entry Set，當有一個線程擷取到對象的鎖之後，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方法後，會釋放鎖并進入Wait Set等待。
是以，synchronize實作的鎖本質上是一種阻塞鎖，也就是說多個線程要排隊通路同一個共享對象。
而volatile是Java虛拟機提供的一種輕量級同步機制，他是基于記憶體屏障實作的。
說到底，他并不是鎖，是以他不會有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，看一下如果隻使用synchronized而不使用volatile會發生什麼問題，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作一個單例，這裡不使用volatile關鍵字：
以上代碼，我們通過使用synchronized對Singleton.class進行加鎖，可以保證同一時間隻有一個線程可以執行到同步代碼塊中的内容，也就是說singleton = new Singleton()這個操作隻會執行一次，這就是實作了一個單例。
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，是以執行第12行，傳回singleton。
- Step4 ,Thread2拿到singleton對象之後，開始執行後續的操作，比如調用singleton.call()。
以上過程，看上去并沒有什麼問題，但是，其實，在Step4，Thread2在調用singleton.call()的時候，是有可能抛出空指針異常的。
之所有會有NPE抛出，是因為在Step3，Thread2拿到的singleton對象并不是一個完整的對象。
什麼叫做不完整對象，這個怎麼了解呢？
我們這裡來先來看一下，singleton = new Singleton();這行代碼到底做了什麼事情，大緻過程如下：
- 1、虛拟機遇到new指令，到常量池定位到這個類的符号引用。
- 2、檢查符号引用代表的類是否被加載、解析、初始化過。
- 3、虛拟機為對象配置設定記憶體。
- 4、虛拟機将配置設定到的記憶體空間都初始化為零值。
- 5、虛拟機對對象進行必要的設定。
- 6、執行方法，成員變量進行初始化。
- 7、将對象的引用指向這個記憶體區域。
我們把這個過程簡化一下，簡化成3個步驟：
- a、JVM為對象配置設定一塊記憶體M
- b、在記憶體M上為對象進行初始化
- c、将記憶體M的位址複制給singleton變量
如下圖：
因為将記憶體的位址指派給singleton變量是最後一步，是以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，那麼他會一直阻塞，直到Thread1将這一步驟執行完。
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為對象配置設定一塊記憶體Mc、将記憶體的位址複制給singleton變量
這樣的話，Thread1會先執行記憶體配置設定，在執行變量指派，最後執行對象的初始化，那麼，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，則會傳回一個不完整的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。
那麼，怎麼解決這個問題呢？因為指令重排導緻了這個問題，那就避免指令重排就行了。是以，volatile就派上用場了，因為volatile可以避免指令重排。隻要将代碼改成以下代碼，就可以解決這個問題：
對singleton使用volatile限制，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？
看到這裡可能有朋友會問了，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麼，這裡為什麼就不行了呢？
首先，可以明确的一點是：synchronized是無法禁止指令重排和處理器優化的。那麼他是如何保證的有序性呢？這就要再把有序性的概念擴充一下了。
Java程式中天然的有序性可以總結為一句話：如果在本線程内觀察，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《深入了解Java虛拟機》中的原句，但是怎麼了解呢？周志明并沒有詳細的解釋。這裡我簡單擴充一下，這其實和as-if-serial語義有關。
as-if-serial語義的意思指：不管怎麼重排序，單線程程式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。
這裡不對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，不管指令怎麼重排，最終的執行結果是不能被改變的。
那麼，我們回到剛剛那個雙重校驗鎖的例子，站在單線程的角度，也就是隻看Thread1的話，因為編譯器會遵守as-if-serial語義，是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内部的指令重排卻對Thread2産生了影響。
那麼，我們可以說，synchronized保證的有序性是多個線程之間的有序性，即被加鎖的内容要按照順序被多個線程執行。但是其内部的同步代碼還是會發生重排序，隻不過由于編譯器和處理器都遵循as-if-serial語義，是以我們可以認為這些重排序在單線程内部可忽略。
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，是以不存在阻塞和性能問題。
另外一方面，因為volatile借助了記憶體屏障來幫助其解決可見性和有序性問題，而記憶體屏障的使用還為其帶來了一個禁止指令重排的附件功能，是以在有些場景中是可以避免發生指令重排的問題的。
是以，在日後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。
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原文釋出時間：2020-05-28
本文作者：碼農突圍
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