线程安全--彻底搞懂volatile关键字和synchronized(从偏向锁到重量级锁)

1. volatile关键字

对于volatile这个关键字，相信很多朋友都听说过，甚至使用过，这个关键字虽然字面上理解起来比较简单，但是要用好起来却不是一件容易的事。
这篇文章将从多个方面来讲解volatile，让你对它更加理解。

计算机中为什么会出现线程不安全的问题

volatile既然是与线程安全有关的问题，那我们先来了解一下计算机在处理数据的过程中为什么会出现线程不安全的问题。
大家都知道，计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中会涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。
为了处理这个问题，在CPU里面就有了高速缓存(Cache)的概念。当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。
我举个简单的例子，比如cpu在执行下面这段代码的时候,

t = t + 1;

会先从高速缓存中查看是否有t的值，如果有，则直接拿来使用，如果没有，则会从主存中读取，读取之后会复制一份存放在高速缓存中方便下次使用。之后cup进行对t加1操作，然后把数据写入高速缓存，最后会把高速缓存中的数据刷新到主存中。

这一过程在单线程运行是没有问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的，本次讲解以多核cup为主）。这时就会出现同一个变量在两个高速缓存中的值不一致问题了。
例如：
两个线程分别读取了t的值，假设此时t的值为0，并且把t的值存到了各自的高速缓存中，然后线程1对t进行了加1操作，此时t的值为1，并且把t的值写回到主存中。但是线程2中高速缓存的值还是0，进行加1操作之后，t的值还是为1，然后再把t的值写回主存。
此时，就出现了线程不安全问题了。

Java中的线程安全问题

上面那种线程安全问题，可能对于不同的操作系统会有不同的处理机制，例如Windows操作系统和Linux的操作系统的处理方法可能会不同。
我们都知道，Java是一种夸平台的语言，因此Java这种语言在处理线程安全问题的时候，会有自己的处理机制，例如volatile关键字，synchronized关键字，并且这种机制适用于各种平台。
Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
由于java中的每个线程有自己的工作空间，这种工作空间相当于上面所说的高速缓存，因此多个线程在处理一个共享变量的时候，就会出现线程安全问题。

这里简单解释下共享变量，上面我们所说的t就是一个共享变量，也就是说，能够被多个线程访问到的变量，我们称之为共享变量。在java中共享变量包括实例变量，静态变量，数组元素。他们都被存放在堆内存中。

volatile关键字

上面扯了一大堆，都没提到volatile关键字的作用，下面开始讲解volatile关键字是如何保证线程安全问题的。

可见性

什么是可见性？

意思就是说，在多线程环境下，某个共享变量如果被其中一个线程给修改了，其他线程能够立即知道这个共享变量已经被修改了，当其他线程要读取这个变量的时候，最终会去内存中读取，而不是从自己的工作空间中读取。
例如我们上面说的，当线程1对t进行了加1操作并把数据写回到主存之后，线程2就会知道它自己工作空间内的t已经被修改了，当它要执行加1操作之后，就会去主存中读取。这样，两边的数据就能一致了。
假如一个变量被声明为volatile，那么这个变量就具有了可见性的性质了。这就是volatile关键的作用之一了。

volatile保证变量可见性的原理

当一个变量被声明为volatile时，在编译成会变指令的时候，会多出下面一行：

0x00bbacde: lock add1 $0x0,(%esp);

这句指令的意思就是在寄存器执行一个加0的空操作。不过这条指令的前面有一个lock(锁)前缀。
当处理器在处理拥有lock前缀的指令时：
在之前的处理中，lock会导致传输数据的总线被锁定，其他处理器都不能访问总线，从而保证处理lock指令的处理器能够独享操作数据所在的内存区域，而不会被其他处理所干扰。
但由于总线被锁住，其他处理器都会被堵住，从而影响了多处理器的执行效率。为了解决这个问题，在后来的处理器中，处理器遇到lock指令时不会再锁住总线，而是会检查数据所在的内存区域，如果该数据是在处理器的内部缓存中，则会锁定此缓存区域，处理完后把缓存写回到主存中，并且会利用缓存一致性协议来保证其他处理器中的缓存数据的一致性。

缓存一致性协议

刚才我在说可见性的时候，说“如果一个共享变量被一个线程修改了之后，当其他线程要读取这个变量的时候，最终会去内存中读取，而不是从自己的工作空间中读取”，实际上是这样的：
线程中的处理器会一直在总线上嗅探其内部缓存中的内存地址在其