Java并发编程：如何正确使用 volatile、synchronized 和 final 关键字

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Java并发编程：如何正确使用 volatile、synchronized 和 final 关键字

  Java代码经编译器编译后，生成的指令顺序可能与源代码的顺序有别，且编译器会将变量存于寄存器而非内存中。CPU处理器采用乱序或并行的方式来执行指令，且在执行过程中保存在CPU处理器本地缓存中的值，对于其他处理器是不可见的。

  为了解决线程间的可见性和有序性问题，Java提供了volatile、synchronized 和 final 三个关键字，它们就像三个威力强大的法宝，助你轻松应对并发编程的挑战。

synchronized：线程同步的守护神

  synchronized 关键字就像一位守护神，确保代码块在同一时刻只能被一个线程访问。可以理解成它是一把锁，锁住代码块，其他线程想要进入，就必须去争抢锁资源。这样就可以避免多个线程同时访问共享资源，造成数据不一致的问题。

  synchronized作用于某段代码块，可以保证可见性和有序性。从JVM底层实现来看，synchronized代码块是由一对儿monitorenter/monitorexit指令实现的，Monitor对象是同步的基本实现单元。

  在Java 6之前，Monitor的实现完全是依靠操作系统内部的互斥锁，因为需要进行用户态到内核态的切换，所以同步操作是一个无差别的重量级操作。

  在Oracle JDK中，对JVM中的synchronized实现进行了很大的改进，增加了偏斜锁（Biased Locking）、轻量级锁和重量级锁，JVM检测到不同的竞争状况，就会采用锁的升级和降级来切换到最合适的锁实现，从而提高了性能。

1. 初始化：在没有竞争出现的时候，会默认使用偏斜锁，JVM利用CAS（compare and swap）操作，在对象头上的Mark Word部分设置线程ID，以表示这个对象偏向于当前线程，所以并不涉及真正互斥锁。之所以这样做，是因为在大多数应用场景中，大部分对象生命周期中最多只会被一个线程锁定，使用偏斜锁可以降低锁开销。
2. 锁升级：如果其它的线程试图锁定某个已经被偏斜锁标记的对象，JVM就会撤销偏斜锁并切换到轻量级锁。轻量级锁同样依赖CAS操作Mark Word来获取锁，如果切换轻量级锁失败，就会升级为重量级锁。
3. 锁降级：当JVM进入安全点（SafePoint）的时候，会检查是否有闲置的Monitor，然后试图进行降级。

volatile：轻量级的同步机制

  volatile关键字就像一位轻骑兵，它保证变量的更新操作对其他线程立即可见，但不会阻止其他线程对变量的读写操作。最原始的意义就是禁用CPU缓存和编译优化，所以volatile关键字可以保证可见性和有序性。volatile相比sychronized关键字来说，是相对轻量级的同步机制。

  volatile变量是Java语言提供的一种稍弱的同步机制，用来确保将变量的更新操作通知到其它线程。当把变量声明为volatile类型后，编译器与运行时都会注意到这个变量时共享的，因此不会将该变量上的操作进行与其它内存操作一起重排序。

  简言之，volatile通过禁用 CPU 缓存和编译优化，以确保变量值始终是最新的。

int x = 2；
int y = 0;
volatile int i = 0;
int x = 3;
int y = 1;

  以上代码中“i”变量使用volatile修饰，那么对这个变量的读写不能使用CPU缓存，必须从内存中读取或者写入。并且根据Happens-Before规则中的volatile规则，“i”变量前两个语句不会排到“i”变量后面，“i”变量后两个语句不会排在i变量前面。

  虽然volatile可以在一定程度上保存可见性，但是不能滥用（能不用就不用）。只有当满足特定条件时才可使用，例如变量的每次赋值都是独立的，只有一个线程更新变量，访问变量不需要加锁等。

final：变量的永恒承诺

  final关键字与volatile关键字正好相反，final修饰变量时会告诉编译器，这个变量生而不变可以使劲优化。final 定义类型及说明如下：

• final class：不允许被继承。
• final 方法：不允许 Override。
• final 局部变量：不允许修改。
• final 实例属性：只能赋值一次；安全发布。
• final static 属性：只能赋值一次，编译期就放入方法区，不允许修改。

synchronized和volatile的区别是什么?

• volatile 本质是在告诉 JVM 当前变量在寄存器中的值是不确定的，需要从主存中读取；synchronized 则是锁定当前变量，只有当前线程可以访问该变量，其他线程的访问会被阻塞。
• volatile 仅能使用在变量级别；synchronized 则可以使用在变量、方法和类上。
• volatile 仅能保证可见性，不能保证原子性；而 synchronized 则可以保证可见性和原子性。
• volatile 不会造成线程的阻塞；synchronized 可能会造成线程的阻塞。
• volatile 标记的变量不会被编译器优化；synchronized 标记的变量可以被编译器优化。

小结

  选择合适的同步机制需要根据具体场景进行判断。如果需要保证原子性和可见性，并且允许多个线程同时访问共享资源，则可以使用 volatile。如果需要保证原子性、可见性和有序性，并且只允许一个线程访问共享资源，则可以使用 synchronized。

  当然，也可以将 volatile 和 synchronized 结合使用，例如，使用 volatile 保证变量的可见性，使用 synchronized 保证变量的原子性和有序性。

  综上，volatile 关键字可以保证可见性和有序性，synchronized 关键字可以保证可见性和有序性，同时还可以保证原子性，final 关键字可以保证变量的不可变。在实际开发中，需要根据具体的需求选择合适的关键字来保证程序的正确性和性能。

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