volatile、synchronized和Lock

名词解释：

指令重排是计算机为了优化执行效率，在不改变单线程程序结果的前提下，对代码的执行顺序进行重新排列的操作。它可能发生在编译阶段（编译器优化）或CPU运行阶段（处理器优化）。

举个栗子🌰：做饭的步骤

假设你要做一道菜，步骤是：

洗锅 → 2. 热油 → 3. 放菜 → 4. 翻炒

指令重排后可能变成：

洗锅 → 3. 放菜（未热油） → 2. 热油 → 4. 翻炒
→ 单线程下没问题（最终菜还是熟的），但多线程下可能翻车（其他线程看到“放菜”时油还没热）！

为什么需要指令重排？

提高执行效率：CPU和编译器会通过重排指令，充分利用硬件资源（如并行执行不冲突的操作）。
减少等待时间：避免因某些操作（如内存读取延迟）导致的空闲等待。

多线程环境中的问题

指令重排在单线程无感知，但在多线程并发时可能导致意外结果。

经典案例：双重检查锁（DCL）单例模式

public class Singleton {private static Singleton instance;public static Singleton getInstance() {if (instance == null) {                    // 第一次检查synchronized (Singleton.class) {if (instance == null) {            // 第二次检查instance = new Singleton();    // 问题在此！}}}return instance;}
}

问题分析：
instance = new Singleton() 实际分为三步：

分配内存空间
初始化对象
将引用指向内存地址

指令重排可能导致步骤2和3颠倒：
→ 其他线程可能在对象未初始化完成时，拿到非空的instance，导致使用错误！

如何禁止指令重排？

使用 volatile 关键字：
→ 修饰变量（如 private volatile static Singleton instance;），通过插入内存屏障禁止重排序。
→ 解决上述DCL单例问题。
使用 synchronized 或 Lock：
→ 同步代码块保证原子性和可见性，隐含禁止重排序。

总结

指令重排：优化手段，单线程安全，多线程需警惕。
解决方案：volatile 或同步机制确保多线程下的顺序一致性。

在 Java 中，volatile、synchronized 和 Lock 是解决并发问题的三种重要工具。它们有不同的使用场景和特点，下面分别介绍它们的用途、常用方法以及适用场景。

1. volatile

用途

保证可见性：确保一个线程对共享变量的修改对其他线程立即可见。
防止指令重排序：通过插入内存屏障（Memory Barrier）禁止某些编译器或处理器的指令重排序优化。

特点

只适用于单个变量。
不保证复合操作（如x++）的原子性。
开销较小，性能优于synchronized。

常用场景

用于状态标志位（如开关标志）。
当只需要保证可见性和有序性时使用。

例子

class VolatileExample {private volatile boolean flag = true;public void stop() {flag = false; // 修改flag，其他线程会立即看到}public void run() {while (flag) {// 执行任务}System.out.println("Thread stopped");}
}

2. synchronized

用途

保证互斥性：同一时刻只有一个线程可以执行被同步保护的代码块。
保证可见性：当一个线程释放锁时，会将修改后的变量值刷新到主存中，其他线程获取锁时会从主存中读取最新值。
防止指令重排序：通过插入内存屏障确保有序性。

特点

可以作用于代码块或方法。
提供了内置锁机制，简单易用。
性能较低（相对volatile），但在复杂场景下更可靠。

常用方法/用法

同步方法：
- 使用synchronized修饰方法，锁定当前对象（即this）。
```
public synchronized void increment() {count++;
}
```
同步代码块：
- 使用synchronized修饰代码块，指定锁对象。
```
public void increment() {synchronized (lock) {count++;}
}
```

静态同步方法：

锁定的是类对象（Class实例）。

public static synchronized void incrementStatic() {staticCount++;
}

例子

class SynchronizedExample {private int count = 0;public synchronized void increment() {count++; // 线程安全}public synchronized int getCount() {return count;}
}

3. Lock（ReentrantLock）

用途

提供比synchronized更灵活的锁机制：
- 支持公平锁和非公平锁。
- 支持尝试获取锁（tryLock()）。
- 支持可中断锁（lockInterruptibly()）。
- 支持超时获取锁（tryLock(long timeout, TimeUnit unit)）。
保证互斥性、可见性和有序性。

特点

需要手动加锁和解锁（容易忘记解锁，导致死锁）。
提供更多功能，但使用复杂度更高。
性能通常优于synchronized（尤其是在高竞争情况下）。

常用方法

核心接口：java.util.concurrent.locks.Lock
- void lock()：获取锁，如果锁不可用则阻塞。
- void unlock()：释放锁。
- boolean tryLock()：尝试获取锁，成功返回true，失败返回false。
- boolean tryLock(long timeout, TimeUnit unit)：尝试在指定时间内获取锁。
- void lockInterruptibly()：获取锁，但可以响应中断。
实现类：ReentrantLock
- 可重入锁，支持公平锁和非公平锁。

例子

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;class LockExample {private int count = 0;private final Lock lock = new ReentrantLock();public void increment() {lock.lock(); // 加锁try {count++; // 线程安全} finally {lock.unlock(); // 释放锁}}public int getCount() {lock.lock();try {return count;} finally {lock.unlock();}}
}

对比总结

特性	volatile	synchronized	Lock（ReentrantLock）
互斥性	不支持	支持	支持
可见性	支持	支持	支持
有序性	支持（禁止重排序）	支持	支持
原子性	不支持复合操作	支持	支持
灵活性	低	中	高
性能	高	中	高（高竞争下优于`synchronized`）
适用场景	单个变量的状态标志	方法或代码块的同步	需要高级功能（如尝试锁、公平锁等）