Java的volatile和Synchronized关键字
volatile基本介绍:
volatile可以看成是synchronized的一种轻量级的实现，但volatile并不能完全代替synchronized，volatile有synchronized可见性的特性，但没有synchronized原子性的特性。可见性即用volatile关键字修饰的成员变量表明该变量不存在工作线程的副本，线程每次直接都从主内存中读取，每次读取的都是最新的值，这也就保证了变量对其他线程的可见性。另外，使用volatile还能确保变量不能被重排序，保证了有序性。
volatile比synchronized编程更容易且开销更小，但具有一点的使用局限性，使用要相当小心，不能当锁使用。volatile不会像synchronized一样阻塞程序，如果是读操作远多于写操作的情况可以建议使用volatile，它会有更好的性能。
Java volatile关键字:
volatile解决的问题是多个线程的内存可见性问题，在并发环境下，每个线程都会有自己的工作空间，每个线程只能访问各自的工作空间，而一些共享变量会被加载到每个线程的工作空间中，所以这里面就有一个问题，内存中的数据什么时候被加载到线程的工作缓存中，而线程工作空间中的内容什么时候会回写到内存中去。这两个步骤处理不当就会造成内存可加性问题，也就是数据的不一致，比如某个共享变量被线程A修改了，但是没有回写到内存中去，而线程B在加载了内存中的数据之后读取到的共享变量是脏数据，正确的做法应该是线程A的修改应该对线程B是可见的，更为通用一些，就是在并发环境下共享变量对多个线程是一致的。
对于内存可见性的一点补充是，之所以会造成多个线程看到的共享变量的值不一样，是因为线程在占用CPU时间的时候，cpu为了提高处理速度不会直接和内存交互，而是会先将内存中的共享内容读取到内部缓存中（L1，L2），然后cpu在处理的过程中就只会和内部缓存交互，在多核心的机器中这样的处理方式就会造成内存可见性问题。
volatile可以解决并发环境下的内存可见性问题，只需要在共享变量前面加上volatile关键字就可以解决，但是需要说明的是，volatile仅仅是解决内存可见性问题，对于像i++这样的问题还是需要使用其他的方式来保证线程安全。使用volatile解决内存可见性问题的原理是，如果对被volatile修饰的共享变量执行写操作的话，JVM就会向cpu发送一条Lock前缀的指令，cpu将会这个变量所在的缓存行（缓存中可以分配的最小缓存单位）写回到内存中去。但是在多处理器的情况下，将某个cpu上的缓存行写回到系统内存之后，其他cpu上该变量的缓存还是旧的，这样再进行后面的操作的时候就会出现问题，所以为了使得所有线程看到的内容都是一致的，就需要实现缓存一致性协议，cpu将会通过监控总线上传递过来的数据来判断自己的缓存是否过期，如果过期，就需要使得缓存失效，如果cpu再来访问该缓存的时候，就会发现缓存失效了，这时候就会重新从内存加载缓存。
总结一下，volatile的实现原则有两条：
1、JVM的Lock前缀的指令将使得cpu缓存写回到系统内存中去
2、为了保证缓存一致性原则，在多cpu的情景下，一个cpu的缓存回写内存会导致其他的cpu上的缓存都失效，再次访问会重新从系统内存加载新的缓存内容。
volatile使用场景:
如果正确使用volatile的话，必须依赖下以下种条件：
1、对变量的写操作不依赖当前变量的值；
2、该变量没有包含在其他变量的不变式中。
第1个条件就说明了volatile不是原子性的操作，不能使用n++类似的计数器，它不是线程安全的。
1、状态的改变
有些场景肯定会有状态的改变，完成一个主线程的停止等。首先我们开启了一个无限循环的主线程，判断变量isStop变量是否为true，如果true的话就退出程序，否则就一直循环，所以这个isStop的值是别的线程改变的。
1 public class VolatileDemo { 2 //使用volatile修饰变量 3 private static volatile boolean isStop = false; 4 public static void stopIt(){ 5 isStop = true; 6 } 7 8 public static void main(String[] args) { 9 new Thread1().start(); 10 while (!isStop){ 11 } 12 System.out.println("stop!!!"); 13 } 14 static class Thread1 extends Thread{ 15 @Override 16 public void run() { 17 try { 18 Thread.sleep(3000); 19 } catch (InterruptedException e) { 20 e.printStackTrace(); 21 } 22 stopIt(); 23 } 24 } 25 }
上面这段程序如果不加volatile的话会一直卡在循环，此时的线程拿到的值永远为false，加了volatile3秒后就输出stop，所以这段程序很好的解释了可见性的特点。
2、读多写少的情况
假设这样一种场景，有N个线程在读取变量的值，只有一个线程写变量的值，这时候就能保证读线程的可见性，又能保证写线程的线程安全问题。
像n++不是原子类的操作，其实可以通过synchronized对写方法锁住，再用volatile修饰变量，这样就保证了读线程对变量的可见性，又保证了变量的原子性。
1 public class SynchronizedDemo { 2 //使用volatile修饰变量 3 private static volatile int n = 0; 4 public static synchronized void add(){ 5 n++; 6 } 7 8 public static void main(String[] args) { 9 new Thread1().start(); 10 while (n<100){ 11 12 } 13 System.out.println("stop"); 14 } 15 static class Thread1 extends Thread{ 16 @Override 17 public void run() { 18 try { 19 Thread.sleep(3000); 20 } catch (InterruptedException e) { 21 e.printStackTrace(); 22 } 23 for (int i = 0; i < 200; i++) { 24 add(); 25 } 26 } 27 } 28 }
如果n不加volatile，程序将一直循环，不能输出stop，也就是此时的线程拿到的值永远为0。
当然不加volatile，对获取n的方法进行synchronized修饰也是能及时获取最新值的，但是性能会远低于volatile。
Synchronized关键字：
synchronized 除了保障原子性外，其实也保障了可见性。因为 synchronized 无论是同步的方法还是同步的代码块，都会先把主内存的数据拷贝到工作内存中，同步代码块结束，会把工作内存中的数据更新到主内存中，这样主内存中的数据一定是最新的。更重要的是禁用了乱序重组以及保证了值对存储器的写入，这样就可以保证可见性。
Synchronized关键字的缺点：
1.synchronized关键字同步的时候，等待的线程将无法控制，只能死等。
2.synchronized关键字同步的时候，不保证公平性，因此会有线程插队的现象。
Synchronized同步方法：
synchronized T methodName(){
//do smoething
}
同步方法锁定的是当前对象。当多线程通过同一个对象引用多次调用当前同步方法时，需同步执行。也就是说当一个线程访问同步方法时，其他线程访问这个方法将会被阻塞(等待锁)。
Synchronized同步代码块：
用关键字 synchronized 声明方法在某些情况下是有弊端的，比如 A 线程调用同步方法执行一个较长时间的任务，那么 B 线程必须等待比较长的时间。这种情况下可以尝试使用 synchronized 同步代码块来解决问题。
同步代码块的同步粒度更加细致，是商业开发中推荐的编程方式。可以定位到具体的同步位置，而不是简单的将方法整体实现同步逻辑。在效率上，相对更高。
把需要同步的代码块包起来，注意不要把耗时的操作放在同步代码块中。比如打印输出、IO 操作等等。
Synchronized锁定的对象：
1.锁定临界对象
public class SynchronizedDemo<T> {
Object object = new Object();
T methodName(){
synchronized(object){
//do something
}
}
}
同步代码块在执行时，是锁定 object对象。当多个线程调用同一个方法时，锁定对象不变的情况下，需同步执行。
synchronized(非this对象 object)，这个对象如果是实例变量的话，指的是对象的引用，只要对象的引用不变，即使改变了对象的属性，运行结果依然是同步的。也就是锁的是堆内存中的对象，并不是引用。
1.当多个线程同时执行 synchronized(object){} 同步代码块时呈同步效果
2.当其他线程执行 object 对象中的 synchronized 同步方法时呈同步效果
3.当其他线程执行 object 对象方法中的 synchronized(this) 代码块时也呈同步效果
4.在定义同步代码块时，不要使用常量对象作为锁目标对象。比如字符串常量、整形等。
2.锁定当前对象：
T methodName(){
synchronized(this){
//do something
}
}
当锁定对象为this 时，相当于同步方法。
3.锁定Class对象（同步静态方法）
/**
* 同步方法 - static
* 静态同步方法，锁的是当前类型的类对象。在本代码中就是Test_02.class
*/
package concurrent.t01;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class Test_02 {
private static int staticCount = 0;
public static synchronized void testSync4(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " staticCount = " + staticCount++);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
public static void testSync5(){
synchronized(Test_02.class){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " staticCount = " + staticCount++);
}
}
}
synchronized 还可以应用在静态方法上，如果这么写，则代表的是对当前 .java 文件对应的 Class 类加锁。静态同步方法和非静态同步方法持有的是不同的锁，前者是类锁，后者是对象锁。
3.Synchronized锁重入：
public class Test_06 {
synchronized void m1(){ // 锁this
System.out.println("m1 start");
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
m2();//调用加锁方法
System.out.println("m1 end");
}
synchronized void m2(){ // 锁this
System.out.println("m2 start");
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("m2 end");
}
public static void main(String[] args) {
new Test_06().m1();
}
}
关键字 synchronized 拥有锁重入的功能。所谓锁重入的意思就是：当一个线程得到一个对象锁后，再次请求此对象锁时时可以再次得到该对象的锁的。 锁重入的实现是通过同一个线程，多次调用同步代码，锁定同一个锁对象，可重入。
这种锁重入的机制，也支持在父子类继承的环境中。 子类同步方法覆盖父类同步方法。可以指定调用父类的同步方法。
Synchronized多方法调用原子性问题：
public class Test_05 {
private double d = 0.0;
public synchronized void m1(double d){
try {
// 相当于复杂的业务逻辑代码。
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
this.d = d;
}
public double m2(){
return this.d;
}
public static void main(String[] args) {
final Test_05 t = new Test_05();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
t.m1(100);
}
}).start();
System.out.println(t.m2());
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(t.m2());
}
}
打印结果为：
0.0
100.0
由以上打印结果可知：
同步方法只能保证当前方法的原子性，不能保证多个业务方法之间的互相访问的原子性。
注意:在商业开发中，多方法要求结果访问原子操作，需要多个方法都加锁，且锁定统一个资源。
一般来说，商业项目中，不考虑业务逻辑上的脏读问题。在数据库上要考虑脏读。
Synchronized锁的底层实现？
Java 虚拟机中的同步(Synchronization)是基于进入和退出管程(Monitor)对象实现。同步方法并不是由 monitor enter 和 monitor exit 指令来实现同步的，而是由方法调用指令读取运行时常量池中方法的 ACC_SYNCHRONIZED 标志来隐式实现的。
对象内存简图：
对象头：存储对象的 hashCode、锁信息或分代年龄或 GC 标志，类型指针指向对象的类元数据，JVM 通过这个指针确定该对象是哪个类的实例等信息。
实例变量：存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息
填充数据：由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐
当在对象上加锁时，数据是记录在对象头中。当执行 synchronized 同步方法或同步代码块时，会在对象头中记录锁标记，锁标记指向的是 monitor 对象（也称为管程或监视器锁）的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联，对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式，如 monitor 可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成，但当一个 monitor 被某个线程持有后，它便处于锁定状态。在Java虚拟机(HotSpot)中，monitor 是由 ObjectMonitor 实现的。
ObjectMonitor 中有两个队列，_WaitSet 和 _EntryList，以及 _Owner 标记。其中 _WaitSet 是用于管理等待队列(wait)线程的，_EntryList 是用于管理锁池阻塞线程的，_Owner 标记用于记录当前执行线程。线程状态图如下：
当多线程并发访问同一个同步代码时，首先会进入 _EntryList，当线程获取锁标记后，monitor 中的 _Owner 记录此线程，并在 monitor 中的计数器执行递增计算（+1），代表锁定，其他线程在 _EntryList 中继续阻塞。若执行线程调用 wait 方法，则monitor中的计数器执行赋值为0计算，并将 _Owner 标记赋值为 null，代表放弃锁，执行线程进如 _WaitSet 中阻塞。若执行线程调用 notify/notifyAll 方法，_WaitSet 中的线程被唤醒，进入 _EntryList 中阻塞，等待获取锁标记。若执行线程的同步代码执行结束，同样会释放锁标记，monitor中的 _Owner 标记赋值为 null，且计数器赋值为0计算。
锁的种类：
Java 中锁的种类大致分为：
1）偏向锁
2）自旋锁
3）轻量级锁
4）重量级锁
锁的使用方式：先提供偏向锁，如果不满足的时候，升级为轻量级锁，再不满足，升级为重量级锁。自旋锁是一个过渡的锁状态，不是一种实际的锁类型。
注意：锁只能升级，不能降级。
同步方法和同步代码块中解释的就是重量级锁。
偏向锁：
是一种编译解释锁。如果代码中不可能出现多线程并发争抢同一个锁的时候，JVM 编译代码，解释执行的时候，会自动的放弃同步信息。消除 synchronized 的同步代码结果。使用锁标记的形式记录锁状态。在 Monitor 中有变量ACC_SYNCHRONIZED。当变量值使用的时候，代表偏向锁锁定。可以避免锁的争抢和锁池状态的维护。提高效率。
轻量级锁：
过渡锁。当偏向锁不满足，也就是有多线程并发访问，锁定同一个对象的时候，先提升为轻量级锁。也是使用标记ACC_SYNCHRONIZED 标记记录的。ACC_UNSYNCHRONIZED 标记记录未获取到锁信息的线程。就是只有两个线程争抢锁标记的时候，优先使用轻量级锁。
自旋锁：
是一个过渡锁，是偏向锁和轻量级锁的过渡。当获取锁的过程中，未获取到。为了提高效率，JVM 自动执行若干次空循环，再次申请锁，而不是进入阻塞状态的情况。称为自旋锁。自旋锁提高效率就是避免线程状态的变更。
总结：
- 每个对象都有一个锁。用来在多线程访问的时候实现同步。
- synchronized 取得的锁都是对象锁，而不是把一段代码或方法（函数）当作锁，哪个线程先执行带 synchronized 关键字的方法，哪个线程就持有该方法所属对象的锁，其他线程都只能呈等待状态。
- 从执行效率的角度考虑，有时候我们未必要把整个方法都加上synchronized，而是可以采取 synchronized 块的方式，对会引起线程安全问题的那一部分代码进行 synchronized 就可以了。
- 两个 synchronized 块之间具有互斥性。
- synchronized 块获得的是一个对象锁，换句话说，synchronized 块锁定的是整个对象。
- Java 还支持对”任意对象”作为对象监视器来实现同步的功能。这个”任意对象”大多数是实例变量及方法的参数，使用格式为 synchronized(非this对象)
- 同步方法只影响锁定同一个锁对象的同步方法。不影响其他线程调用非同步方法，或调用其他锁资源的同步方法。
