volatile、synchronized、final原理浅析

1. 前言

只会使用，不明白原理，就不能灵活运用，深入理解这几个关键字，对于并发编程来讲颇有帮助。

2. volatile

2.1 volatile 的做用

volatile 的做用有一下两点：

• 修改当即可见
• 禁止指令重排序

可见性是指当一个线程修改了共享变量的值，其它线程可以适时得知这个修改。

致使线程可见性问题有两个缘由：

1. 线程对变量进行修改未同步到主内存，那么这个线程对改变量的修改就是不可见的。
2. 重排序。为了提升程序的执行效率，编译器在生成指令序列时和CPU执行指令序列时，都有可能对指令进行重排序。

2.2 原理

实现可见性： 禁用工做内存和 Happens-Before 规则的前三条

由 JMM 可知通常的变量写是先写到工做内存，而后由 buffer 刷到主存中的。volatile 标记的变量禁用了工做内存，即直接写到主存中。其余线程读取该变量时，直接从主内存中读取。

Happens-Before 规则的前三条：

1. 程序顺序规则：一个线程中的每一个操做，happens-before于该线程中的任意后续操做。
2. 监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before 于随后对这个锁的加锁。
3. volatile变量规则：对一个 volatile 域的写，happens-before于任意后续对这个volatile 域的读。

Happens-Before 规则可参考：

Java内存模型以及happens-before规则

禁止重排序的实现其实也依赖了 happen-before 原则。

JVM底层是经过一个叫作“内存屏障”的东西来完成。内存屏障，也叫作内存栅栏，是一组处理器指令，用于实现对内存操做的顺序限制。

屏障类型	指令示例	说明
LoadLoad Barriers	Load1;LoadLoad;Load2	该屏障确保Load1数据的装载先于Load2及其后全部装载指令的的操做
StoreStore Barriers	Store1;StoreStore;Store2	该屏障确保Store1马上刷新数据到内存(使其对其余处理器可见)的操做先于Store2及其后全部存储指令的操做
LoadStore Barriers	Load1;LoadStore;Store2	确保Load1的数据装载先于Store2及其后全部的存储指令刷新数据到内存的操做
StoreLoad Barriers	Store1;StoreLoad;Load2	该屏障确保Store1马上刷新数据到内存的操做先于Load2及其后全部装载装载指令的操做。它会使该屏障以前的全部内存访问指令(存储指令和访问指令)完成以后,才执行该屏障以后的内存访问指令

基于保守策略的 JMM 内存屏障插入策略:

• 在每一个 volatile 写操做的前面插入一个 StoreStore 屏障。该屏障用来保证在 volatile 写以前，其前面全部的普通写操做已经对任意处理器可见
• 在每一个 volatile 写操做的后面插入一个 StoreLoad 屏障。避免 volatile 写操做可能与后面可能有的 volatile 写操做重排序
• 在每一个 volatile 读操做的前面插入一个 LoadLoad 屏障。用来避免将 volatile 读和前面的普通读重排序
• 在每一个 volatile 读后面插入一个 LoadStore 屏障。避免后面的普通写和 volatile 读重排序

所谓的保守策略即保证在任何处理器上都能获得正确的语意，实际上编译器会自动优化以省略某些语意（好比由于 X86 不会对读读、读写、写写重排序，就能够省下这三种屏障）

编译器不会对 volatile 读与 volatile 读后面的任意内存操做（包括对普通变量的读写）重排序，也不会对 volatile 写与 volatile 写前面的任意内存操做重排序

2.3 总结

简而言之，volatile 变量自身具备下列特性：

1. 可见性。对一个 volatile 变量的读，总能看到（任意线程）对这个 volatile 变量最后的写入。
2. 原子性。对任意单个 volatile 变量的读/写具备原子性，但相似于 volatile++ 这种复合操做不具备原子性。

3. final

final 修饰变量、修饰方法、修饰类，都有什么做用就不详细讲解了，讲讲原理。

对于final域，编译器和处理器要遵照两个重排序规则：

• 在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操做之间不能重排序。（先写入final变量，后调用该对象引用）

缘由：编译器会在final域的写以后，插入一个StoreStore屏障

• 初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操做之间不能重排序（先读对象的引用，后读final变量）

缘由：编译器会在读final域操做的前面插入一个LoadLoad屏障

详细讲解参考：

Java并发（十九）：final实现原理

4. synchronized

synchronized 的底层是使用操做系统的 mutex lock 实现的。

• **内存可见性：**同步快的可见性是由“若是对一个变量执行 lock 操做，将会清空工做内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前须要从新执行 load 或 assign 操做初始化变量的值”、“对一个变量执行 unlock 操做以前，必须先把此变量同步回主内存中（执行 store 和 write 操做）”这两条规则得到的。
• **操做原子性：**持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入

synchronized 用的锁是存在 Java 对象头里的。

JVM基于进入和退出 Monitor 对象来实现方法同步和代码块同步。代码块同步是使用 monitorenter 和 monitorexit 指令实现的，monitorenter 指令是在编译后插入到同步代码块的开始位置，而 monitorexit 是插入到方法结束处和异常处。任何对象都有一个 monitor 与之关联，当且一个 monitor 被持有后，它将处于锁定状态。`

根据虚拟机规范的要求，在执行 monitorenter 指令时，首先要去尝试获取对象的锁，若是这个对象没被锁定，或者当前线程已经拥有了那个对象的锁，把锁的计数器加1；相应地，在执行 monitorexit 指令时会将锁计数器减1，当计数器被减到 0 时，锁就释放了。若是获取对象锁失败了，那当前线程就要阻塞等待，直到对象锁被另外一个线程释放为止。

注意两点：

一、synchronized 同步快对同一条线程来讲是可重入的，不会出现本身把本身锁死的问题；

二、同步块在已进入的线程执行完以前，会阻塞后面其余线程的进入。

想要详细了解，下面这篇文章讲德特别棒：

Java synchronized原理总结

5. 小结&参考资料

小结

这三个关键字在 JMM 中起着相当重要的做用，JMM 规范的保证依靠这些关键字实现。同时，这几个关键字的熟练使用也很是很是重要，得深入理解。

参考资料

Java 并发编程：volatile的使用及其原理

Java并发编程的艺术

从Java多线程可见性谈Happens-Before原则

谈乱序执行和内存屏障

Java final关键字及其内存语义

Final of Java，这一篇差很少了

Java并发（十九）：final实现原理

Java synchronized原理总结