Java多執行緒之記憶體可見性和原子性：Synchronized和Volatile的比較

【尊重原創，轉載請註明出處】http://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/52525724

在說明Java多執行緒記憶體可見性之前，先來簡單瞭解一下Java記憶體模型。

（1）Java所有變數都儲存在主記憶體中
（2）每個執行緒都有自己獨立的工作記憶體，裡面儲存該執行緒的使用到的變數副本（該副本就是主記憶體中該變數的一份拷貝）

（1）執行緒對共享變數的所有操作都必須在自己的工作記憶體中進行，不能直接在主記憶體中讀寫
（2）不同執行緒之間無法直接訪問其他執行緒工作記憶體中的變數，執行緒間變數值的傳遞需要通過主記憶體來完成。
執行緒1對共享變數的修改，要想被執行緒2及時看到，必須經過如下2個過程：
（1）把工作記憶體1中更新過的共享變數重新整理到主記憶體中
（2）將主記憶體中最新的共享變數的值更新到工作記憶體2中

可見性與原子性

可見性：一個執行緒對共享變數的修改，更夠及時的被其他執行緒看到
原子性：即不可再分了，不能分為多步操作。比如賦值或者return。比如"a = 1;"和 "return a;"這樣的操作都具有原子性。類似"a += b"這樣的操作不具有原子性，在某些JVM中"a += b"可能要經過這樣三個步驟：
①　取出a和b
②　計算a+b
③　將計算結果寫入記憶體

(1)Synchronized：保證可見性和原子性
Synchronized能夠實現原子性和可見性；在Java記憶體模型中，synchronized規定，執行緒在加鎖時，先清空工作記憶體→在主記憶體中拷貝最新變數的副本到工作記憶體→執行完程式碼→將更改後的共享變數的值重新整理到主記憶體中→釋放互斥鎖。

(2)Volatile：保證可見性，但不保證操作的原子性
Volatile實現記憶體可見性是通過store和load指令完成的；也就是對volatile變數執行寫操作時，會在寫操作後加入一條store指令，即強迫執行緒將最新的值重新整理到主記憶體中；而在讀操作時，會加入一條load指令，即強迫從主記憶體中讀入變數的值。但volatile不保證volatile變數的原子性，例如：

    Private int Num=0;
    Num++;//Num不是原子操作

Num不是原子操作，因為其可以分為：讀取Num的值，將Num的值+1，寫入最新的Num的值。
對於Num++;操作，執行緒1和執行緒2都執行一次，最後輸出Num的值可能是：1或者2
【解釋】輸出結果1的解釋：當執行緒1執行Num++;語句時，先是讀入Num的值為0，倘若此時讓出CPU執行權，執行緒獲得執行，執行緒2會重新從主記憶體中，讀入Num的值還是0，然後執行緒2執行+1操作，最後把Num=1重新整理到主記憶體中；執行緒2執行完後，執行緒1由開始執行，但之前已經讀取的Num的值0，所以它還是在0的基礎上執行+1操作，也就是還是等於1，並重新整理到主記憶體中。所以最終的結果是1

一般在多執行緒中使用volatile變數，為了安全，對變數的寫入操作不能依賴當前變數的值：如Num++或者Num=Num*5這些操作。

(3)Synchronized和Volatile的比較
1）Synchronized保證記憶體可見性和操作的原子性
2）Volatile只能保證記憶體可見性
3）Volatile不需要加鎖，比Synchronized更輕量級，並不會阻塞執行緒（volatile不會造成執行緒的阻塞；synchronized可能會造成執行緒的阻塞。）
4）volatile標記的變數不會被編譯器優化,而synchronized標記的變數可以被編譯器優化（如編譯器重排序的優化）.
5）volatile是變數修飾符，僅能用於變數，而synchronized是一個方法或塊的修飾符。
volatile本質是在告訴JVM當前變數在暫存器中的值是不確定的，使用前，需要先從主存中讀取，因此可以實現可見性。而對n=n+1,n++等操作時，volatile關鍵字將失效，不能起到像synchronized一樣的執行緒同步（原子性）的效果。

【參考資料】《細說Java多執行緒之記憶體可見性》http://www.imooc.com/video/6775（含視訊和程式碼）

【相關習題】

(1)下列說法不正確的是（）
A.當兩個併發執行緒訪問同一個物件object中的這個synchronized(this)同步程式碼塊時，一個時間內只能有一個執行緒得到執行。
B.當一個執行緒訪問object的一個synchronized(this)同步程式碼塊時，另一個執行緒仍然可以訪問該object中的非synchronized(this)同步程式碼塊。
C.當一個執行緒訪問object的一個synchronized(this)同步程式碼塊時，其他執行緒對object中所有其它synchronized(this)同步程式碼塊的訪問不會被阻塞。
D.當一個執行緒訪問object的一個synchronized(this)同步程式碼塊時，它就獲得了這個object的物件鎖。結果，其它執行緒對該object物件所有同步程式碼部分的訪問都被暫時阻塞。
答案：C，當一個執行緒訪問object的一個synchronized(this)同步程式碼塊時，其他執行緒對object中所有其它synchronized(this)同步程式碼塊的訪問將會被阻塞。
(2)下面敘述錯誤的是：
A.通過synchronized和volatile都可以實現可見性
B.不同執行緒之間可以直接訪問其他執行緒工作記憶體中的變數
C.執行緒對共享變數的所有操作都必須在自己的工作記憶體中進行
D.所有的變數都儲存在主記憶體中
答案：B，不同執行緒之間無法直接訪問其他執行緒工作記憶體中的變數

記憶體可見性和原子性：Synchronized和Volatile的比較

Java多執行緒之記憶體可見性和原子性：Synchronized和Volatile的比較

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