`volatile`和`synchronized`这两个Java常用关键字是如何借助内存屏障实现其同步语义
你希望深入理解JVM内存屏障的核心概念，同时具体掌握volatile和synchronized这两个Java常用关键字是如何借助内存屏障实现其同步语义的，我会从底层机制到实际应用示例，清晰拆解这部分内容。
一、JVM内存屏障核心回顾
内存屏障（Memory Barrier）是JVM基于CPU指令抽象出的底层机制，核心解决多线程场景下的两个问题：
- 指令重排序：禁止屏障两侧的指令被编译器/CPU重排，保证执行顺序；
- 内存可见性：强制缓存与主内存同步（写屏障刷缓存到主内存，读屏障从主内存加载数据）。
JVM定义了4种核心内存屏障（按开销从低到高）：
| 屏障类型 | 核心作用 |
|---|---|
| LoadLoad | 禁止屏障前的读操作与屏障后的读操作重排序 |
| StoreStore | 禁止屏障前的写操作与屏障后的写操作重排序 |
| LoadStore | 禁止屏障前的读操作与屏障后的写操作重排序 |
| StoreLoad | 禁止屏障前的写操作与屏障后的读操作重排序（最重量级） |
Java程序员无需直接操作内存屏障，JVM会为volatile、synchronized等关键字自动插入对应的屏障。
二、volatile如何利用内存屏障
volatile是轻量级同步关键字，能保证变量的可见性和有序性（不保证原子性），其核心就是JVM为volatile变量的读写插入特定内存屏障。
1. volatile的内存屏障插入规则
| 操作类型 | 屏障插入位置 | 插入的屏障类型 | 核心目的 |
|---|---|---|---|
| 写volatile变量 | 写操作前 | StoreStore屏障 | 保证普通变量的写操作先刷到主内存，再执行volatile写 |
| 写volatile变量 | 写操作后 | StoreLoad屏障 | 保证volatile写刷到主内存，且后续读/写不重排到volatile写之前 |
| 读volatile变量 | 读操作前 | LoadLoad屏障 | 保证普通变量的读操作完成后，再执行volatile读 |
| 读volatile变量 | 读操作后 | LoadStore屏障 | 保证volatile读完成后，后续写操作不重排到volatile读之前 |
2. 实战示例1：volatile解决单例模式指令重排序问题
这是volatile最经典的应用场景，核心解决“双重检查锁（DCL）”中对象半初始化问题：
public class Singleton {
// 必须加volatile！否则可能出现指令重排序导致空指针
private volatile static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // 第一次检查：避免不必要的锁
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) { // 第二次检查：防止并发创建
// new操作的实际指令分3步（不加volatile会重排）：
// 1. 分配内存 → 2. 初始化对象 → 3. 给instance赋值
// 重排后可能变成 1→3→2，导致其他线程读到"非null但未初始化"的instance
// 加volatile后，StoreStore/StoreLoad屏障禁止这种重排序
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
屏障作用解析：
- 写
instance（instance = new Singleton()）时，JVM先插入StoreStore屏障，禁止“初始化对象”和“赋值”重排； - 再插入
StoreLoad屏障，保证赋值完成后，其他线程读instance能拿到主内存的最新值。
3. 实战示例2：volatile读写的屏障执行流程
public class VolatileDemo {
private volatile int flag = 0; // volatile变量
private int normalNum = 0; // 普通变量
// 写volatile：触发StoreStore + StoreLoad屏障
public void write() {
normalNum = 10; // 普通写
// 插入StoreStore屏障：保证normalNum的写先刷到主内存，再执行flag的写
flag = 1; // volatile写
// 插入StoreLoad屏障：保证flag的写刷到主内存，后续操作不重排到这里之前
}
// 读volatile：触发LoadLoad + LoadStore屏障
public void read() {
// 插入LoadLoad屏障：保证之前的读操作完成，再读flag
int temp = flag; // volatile读
// 插入LoadStore屏障：保证读flag完成后，再执行normalNum的写
normalNum = temp + 1; // 普通写
}
}
三、synchronized如何利用内存屏障
synchronized是重量级同步机制，能保证原子性、可见性、有序性，其内存屏障插入逻辑覆盖整个同步块，比volatile更全面。
1. synchronized的内存屏障插入规则
synchronized的屏障插入分为“进入同步块”和“退出同步块”两个阶段：
| 操作阶段 | 屏障插入位置 | 插入的屏障类型及作用 |
|---|---|---|
| 进入同步块 | 获取锁后、执行块内代码前 | LoadLoad + LoadStore屏障： 1. 禁止块内操作重排到获取锁之前； 2. 强制从主内存加载共享变量最新值 |
| 退出同步块 | 释放锁前、执行块内代码后 | StoreStore + StoreLoad屏障： 1. 禁止块内操作重排到释放锁之后； 2. 强制将块内修改刷到主内存 |
2. 实战示例：synchronized的屏障效果
public class SynchronizedDemo {
private int count = 0; // 普通共享变量
// 同步方法（等价于synchronized(this)）
public synchronized void increment() {
// 进入同步块：JVM插入LoadLoad + LoadStore屏障
// 1. 强制从主内存读取count的最新值（可见性）
// 2. 禁止count++重排到获取锁之前（有序性）
count++; // 原子性：同步块保证该操作不会被其他线程打断
// 退出同步块：JVM插入StoreStore + StoreLoad屏障
// 1. 强制将count的修改刷到主内存（可见性）
// 2. 禁止count++重排到释放锁之后（有序性）
}
// 同步代码块
public void decrement() {
synchronized (this) {
// 进入/退出时的屏障逻辑与同步方法完全一致
count--;
}
}
}
核心效果：
- 线程1执行完
synchronized块后，修改的count会通过StoreStore/StoreLoad屏障刷到主内存； - 线程2进入同一个
synchronized块时，通过LoadLoad/LoadStore屏障从主内存读取最新的count值，保证多线程数据一致。
3. volatile vs synchronized 内存屏障对比
| 特性 | volatile | synchronized |
|---|---|---|
| 屏障作用范围 | 仅针对自身变量的读写 | 覆盖整个同步块的所有操作 |
| 性能开销 | 轻量级（无锁竞争） | 重量级（可能触发上下文切换） |
| 保证的语义 | 可见性、有序性（无原子性） | 原子性、可见性、有序性 |
总结
- 内存屏障是JVM解决重排序和可见性的底层核心，分为4种类型，
StoreLoad屏障开销最大； volatile通过在变量读写时插入特定屏障，实现可见性和有序性，典型场景是DCL单例模式；synchronized通过在同步块进入/退出时插入组合屏障，覆盖块内所有操作，实现全量同步语义（原子性+可见性+有序性）。
关键点回顾
volatile的屏障仅作用于自身变量，轻量但不保证原子性；synchronized的屏障覆盖整个同步块，重量级但能保证原子性；- 两者均由JVM自动插入内存屏障，无需程序员手动操作。
浙公网安备 33010602011771号