本文为《Java并发编程之美》学习笔记
Java中共享变量的内存可见性问题
在讲synchronized之前先来讲一下Java中共享变量的内存可见性问题。
先来看看在多线程下处理共享变量时Java的内存模型：
Java内存模型规定，将所有的变量都存放在主内存中，当线程使用变量时，会把主内存里面的变量复制到自己的工作空间或者叫作工作内存，线程读写变量时操作的是自己工作内存中的变量。Java内存模型是一个抽象的概念，那么在实际实现中线程的工作内存是什么呢?
实际上的内存模型：
图中所示是一个双核CPU系统架构，每个核有自己的控制器（Controller）和运算器（ALU），其中控制器包含一组寄存器和操作控制器，运算器执行算术逻辑运算。每个核都有自己的一级缓存，在有些架构里面还有一个所有CPU都共享的二级缓存。那么Java内存模型里面的工作内存，就对应这里的L1或者L2缓存或者CPU的寄存器。
当一个线程操作共享变量时，它首先从主内存复制共享变量到自己的工作内存，然后对工作内存里的变量进行处理，处理完后将变量值更新到主内存。那么假如线程A和线程B同时处理一个共享变量，会出现什么情况？我们使用上面实际的CPU架构图，假设线程A和线程B使用不同CPU执行，并且当前两级Cache都为空，那么这时候由于Cache的存在，将会导致内存不可见问题，具体看下面的分析。
- 线程A首先获取共享变量X的值，由于两级Cache都没有命中，所以加载主内存中X的值，假如为0。然后把X=0的值缓存到两级缓存，线程A修改X的值为1，然后将其写入两级Cache，并且刷新到主内存。线程A操作完毕后，线程A所在的CPU的两级Cache内和主内存里面的X的值都是1。
- 线程B获取X的值，首先一级缓存没有命中，然后看二级缓存，二级缓存命中了，所以返回X= 1；到这里一切都是正常的，因为这时候主内存中也是X=1。然后线程B修改X的值为2，并将其存放到线程2所在的一级Cache和共享二级Cache中，最后更新主内存中X的值为2；到这里一切都是好的。
- 线程A这次又需要修改X的值，获取时一级缓存命中，并且X=1，到这里问题就出现了，明明线程B已经把X的值修改为了2，为何线程A获取的还是1呢？这就是共享变量的内存不可见问题，也就是线程B写入的值对线程A不可见。
那么如何解决共享变量内存不可见问题？使用Java中的synchronized关键字就可以解决这个问题。
synchronized关键字简介
synchronized块是Java提供的一种原子性内置锁，Java中的每个对象都可以把它当作一个同步锁来使用，这些Java内置的使用者看不到的锁被称为内部锁，也叫作监视器锁。
线程的执行代码在进入synchronized代码块前会自动获取内部锁，这时候其他线程访问该同步代码块时会被阻塞挂起。
拿到内部锁的线程出现以下几种情况之一会释放该内置锁：
- 正常退出同步代码块；
- 抛出异常后；
- 在同步块内调用了该内置锁资源的
wait系列方法
内置锁是排它锁，也就是当一个线程获取这个锁后，其他线程必须等待该线程释放锁后才能获取该锁。
此外，由于Java中的线程是与操作系统的原生线程一一对应的，所以当阻塞一个线程时，需要从用户态切换到内核态执行阻塞操作，这是很耗时的操作，而synchronized的使用就会导致上下文切换。
synchronized的内存语义
前面介绍了共享变量内存可见性问题主要是由于线程的工作内存导致的，下面我们来讲解synchronized的一个内存语义，这个内存语义就可以解决共享变量内存可见性问题。
进入synchronized块的内存语义是把在synchronized块内使用到的变量从线程的工作内存中清除，这样在synchronized块内使用到该变量时就不会从线程的工作内存中获取，而是直接从主内存中获取。退出synchronized块的内存语义是把在synchronized块内对共享变量的修改刷新到主内存。
其实这也是加锁和释放锁的语义，当获取锁后会清空锁块内本地内存中将会被用到的共享变量，在使用这些共享变量时从主内存进行加载，在释放锁时将本地内存中修改的共享变量刷新到主内存。除可以解决共享变量内存可见性问题外，synchronized经常被用来实现原子性操作。
另外请注意，synchronized关键字会引起线程上下文切换并带来线程调度开销。