volatile和synchronized到底啥区别？多图文讲解告诉你

2023-02-27

线程内存变量

  你有一个思想，我有一个思想，我们交换后，一个人就有两个思想  IfyoucanNOTexplainitsimply,youdoNOTunderstanditwellenough现陆续将Demo代码和技术文章整理在一起Github实践精选，方便大家阅读查看，

你有一个思想，我有一个思想，我们交换后，一个人就有两个思想
If you can NOT explain it simply, you do NOT understand it well enough

现陆续将Demo代码和技术文章整理在一起 Github实践精选，方便大家阅读查看，本文同样收录在此，觉得不错，还请Star

之前写了几篇 Java并发编程的系列文章，有个朋友微群里问我，还是不能理解 volatile 和 synchronized 二者的区别, 他的问题主要可以归纳为这几个：

volatile 与 synchronized 在处理哪些问题是相对等价的？
为什么说 volatile 是 synchronized 弱同步的方式？
volatile 除了可见性问题，还能解决什么问题？
二者我要如何选择使用？

如果你不能回答上面的几个问题，说明你对二者的区别还有一些含混。本文就通过图文的方式好好说说他们微妙的关系

都听过【天上一天，地下一年】，假设 CPU 执行一条普通指令需要一天，那么 CPU 读写内存就得等待一年的时间。

受【木桶原理】的限制，在CPU眼里，程序的整体性能都被内存的办事效率拉低了，为了解决这个短板，硬件同学也使用了我们做软件常用的提速策略——使用缓存Cache（实则是硬件同学给软件同学挖的坑）

Java 内存模型（JMM）

CPU 增加了缓存均衡了与内存的速度差异，这一增加还是好几层。

此时内存的短板不再那么明显，CPU甚喜。但随之却带来很多问题

看上图，每个核都有自己的一级缓存（L1 Cache），有的架构里面还有所有核共用的二级缓存（L2 Cache）。使用缓存之后，当线程要访问共享变量时，如果 L1 中存在该共享变量，就不会再逐级访问直至主内存了。所以，通过这种方式，就补上了访问内存慢的短板

具体来说，线程读/写共享变量的步骤是这样：

从主内存复制共享变量到自己的工作内存
在工作内存中对变量进行处理
处理完后，将变量值更新回主内存

假设现在主内存中有共享变量 X，其初始值为 0

线程1先访问变量 X，套用上面的步骤就是这样：

L1 和 L2 中都没有发现变量 X，直到在主内存中找到
拷贝变量 X 到 L1 和 L2 中
在 L1 中将 X 的值修改为1，并逐层写回到主内存中

此时，在线程 1 眼中，X 的值是这样的：

接下来，线程 2 同样按照上面的步骤访问变量 X

L1 中没有发现变量 X
L2 中发现了变量X
从L2中拷贝变量到L1中

在L1中将X 的值修改为2，并逐层写回到主内存中

此时，线程 2 眼中，X 的值是这样的：

结合刚刚的两次操作，当线程1再访问变量x，我们看看有什么问题：

此刻，如果线程 1 再次将 x=1回写，就会覆盖线程2 x=2 的结果，同样的共享变量，线程拿到的结果却不一样（线程1眼中x=1；线程2眼中x=2），这就是共享变量内存不可见的问题。

怎么补坑呢？今天的两位主角闪亮登场，不过在说明 volatile关键字之前，我们先来说说你最熟悉的 synchronized 关键字

synchronized

遇到线程不安全的问题，习惯性的会想到用 synchronized 关键字来解决问题，暂且先不论该办法是否合理，我们来看 synchronized 关键字是怎么解决上面提到的共享变量内存可见性问题的

【进入】synchronized 块的内存语义是把在 synchronized 块内使用的变量从线程的工作内存中清除，从主内存中读取
【退出】synchronized 块的内存语义事把在 synchronized 块内对共享变量的修改刷新到主内存中

二话不说，无情向下看 volatile

volatile

当一个变量被声明为 volatile 时：

线程在【读取】共享变量时，会先清空本地内存变量值，再从主内存获取最新值
线程在【写入】共享变量时，不会把值缓存在寄存器或其他地方（就是刚刚说的所谓的「工作内存」），而是会把值刷新回主内存

有种换汤不换药的感觉，你看的一点都没错

所以，当使用 synchronized 或 volatile 后，多线程操作共享变量的步骤就变成了这样：

简单点来说就是不再参考 L1 和 L2 中共享变量的值，而是直接访问主内存

来点踏实的，上例子

public class ThreadNotSafeInteger {  
    /**  
     * 共享变量 value  
     */  
    private int value;  
    public int getValue() {  
        return value;  
    }  
    public void setValue(int value) {  
        this.value = value;  
    }  
} 
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经过前序分析铺垫，很明显，上面代码中，共享变量 value 存在大大的隐患，尝试对其作出一些改变

先使用 volatile 关键字改造：

public class ThreadSafeInteger {  
    /**  
     * 共享变量 value  
     */  
    private volatile int value;  
    public int getValue() {  
        return value;  
    }  
    public void setValue(int value) {  
        this.value = value;  
    }  
} 
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再使用 synchronized 关键字改造

public class ThreadSafeInteger {  
    /**  
     * 共享变量 value  
     */  
    private int value;  
    public synchronized int getValue() {  
        return value;  
    }  
    public synchronized void setValue(int value) {  
        this.value = value;  
    }  
} 
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这两个结果是完全相同，在解决【当前】共享变量数据可见性的问题上，二者算是等同的

如果说 synchronized 和 volatile 是完全等同的，那就没必要设计两个关键字了，继续看个例子

@Slf4j  
public class VisibilityIssue {  
    private static final int TOTAL = 10000;  
//    即便像下面这样加了 volatile 关键字修饰不会解决问题，因为并没有解决原子性问题  
    private volatile int count;  
    public static void main(String[] args) {  
        VisibilityIssue visibilityIssue = new VisibilityIssue();  
        Thread thread1 = new Thread(() -> visibilityIssue.add10KCount());  
        Thread thread2 = new Thread(() -> visibilityIssue.add10KCount());  
        thread1.start();  
        thread2.start();  
        try {  
            thread1.join();  
            thread2.join();  
        } catch (InterruptedException e) {  
            log.error(e.getMessage());  
        }  
        log.info("count 值为：{}", visibilityIssue.count);  
    }  
    private void add10KCount(){  
        int start = 0;  
        while (start ++ < TOTAL){  
            this.count ++;  
        }  
    }  
} 
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其实就是将上面setValue 简单赋值操作（this.value = value;）变成了（this.count ++;）形式，如果你运行代码，你会发现，count的值始终是处于1w和2w之间的

将上面方法再以 synchronized 的形式做改动

@Slf4j  
public class VisibilityIssue {  
    private static final int TOTAL = 10000;  
    private int count;     
  //... 同上  
    private synchronized void add10KCount(){  
        int start = 0;  
        while (start ++ < TOTAL){  
            this.count ++;  
        }  
    }  
} 
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