Java 多线程(二) Synchronized与Volatile关键字

淩亂°似流年 2022-03-06 12:50 373阅读 0赞

### 前言 ###

在上章中,我们介绍了`Java Thread API`.本章我们介绍下Java中的`Synchronized`与`Volatile`关键字.

在本章中,我们将介绍如下的几个模块:

*  Synchronized关键字
    
     *  线程安全问题
     *  synchronized 关键字的使用
     *  对象锁与类锁
     *  Synchronized关键字修饰final类型的变量 & 静态变量
 *  Volatile关键字
    
     *  Volatile关键字的作用
     *  Volatile关键字与Synchronized关键字的区别
     *  Volatile关键字的非原子性

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### 正文 ###

本节主要分为`synchronized`关键字部分与`volatile`关键字部分.

##### 一 Synchronized关键字 #####

*  线程安全问题  
    线程安全问题经常出现在多个线程共享一个数据的时候.例子如下:

class SafeThread extends Thread{
    	public void run(){
    		int i=0;
    		System.out.println("Thread:"+Thread.currentThread().getName()+" i="+i);
    	}
    }
    public class Main{
    	public static void main(){
    		Thread thread1 = new SafeThread();
    		Thread thread2 = new SafeThread();
    		Thread thread3 = new SafeThread();
    		thread1.start();
    		thread2.start();
    		thread3.start();
    	}
    }
    // 结果如下:
    //Thread:Thread-1 i=0
    //Thread:Thread-2 i=0
    //Thread:Thread-0 i=0
    //Thread:Thread-2 i=1
    //Thread:Thread-1 i=1
    //Thread:Thread-2 i=2
    //Thread:Thread-0 i=1
    //Thread:Thread-0 i=2
    //Thread:Thread-1 i=2

可以看到并没有线程安全问题.因为,局部变量的作用体在方法内部,随着方法的销毁而销毁.

但是,当变量作为类变量存在的时候,就会出现所谓的线程安全的问题了.

class UnSafeObj{
    	private int i=0;
    	public void addI(int i){
    		this.i = i;
    	}
    	public int getI(){
    		return i;
    	}
    }
    class UnSafeThread extends Thread{
    	private UnSafeObj obj;
    	private int number;
    	public UnSafeThread(UnSafeObj obj,int number){
    		this.obj = obj;
    		this.number = number;
    	}
    	public void run(){
    		obj.addI(number);
    		System.out.println("Thread:"+Thread.currentThread().getName()+" i="+obj.getI());
    	}
    }
    
    
    public class UnSafe {
    	public static void main(String[] args) {
    		UnSafeObj obj = new UnSafeObj();
    		Thread threadA = new UnSafeThread(obj,10029);
    		Thread threadB = new UnSafeThread(obj,9090);
    		Thread threadC = new UnSafeThread(obj,8080);
    		
    		threadA.start();
    		threadB.start();
    		threadC.start();
    
    		
    
    	}
    
    }
    
    //Thread:Thread-0 i=8080
    //Thread:Thread-2 i=8080
    //Thread:Thread-1 i=8080

由上方的输出可以看出,所有的输出都变成了`8080`.这显然是不正确的.因为,线程在进行更新的时候,变量被其他的线程修改了,导致输出错乱了.  
对于这种问题,我们可以使用`Synchronized`关键字就可以解决.

public void run(){
    		synchronized(obj){
    			obj.addI(number);
    			System.out.println("Thread:"+Thread.currentThread().getName()+" i="+obj.getI());
    		}
    	}
    
    // Thread:Thread-0 i=10029
    // Thread:Thread-2 i=8080
    // Thread:Thread-1 i=9090

当然,有时`synchronized`写在方法上,有时使用`synchronized(this)`使得对象同步.

*  脏读现象  
    对于对象来说`synchronized`关键字只会将对象的含有`Synchronized`关键字的对象进行锁定,非加锁的对象不会进行锁定.例如:去除上述对象的对象锁,转为`addI()`的方法锁.

# 去除锁定
    	public void run(){
    //		synchronized(obj){
    			obj.addI(number);
    			System.out.println("Thread:"+Thread.currentThread().getName()+" i="+obj.getI());
    //		}
    	}
    #  加上方法锁
    	synchronized public void addI(int i){
    		this.i = i;
    	}
    	public int getI(){
    		return i;
    	}
    // Thread:Thread-0 i=10029
    // Thread:Thread-1 i=9090
    // Thread:Thread-2 i=9090

可以看到上述的线程输出.(输出不一定).因为`getI()`方法是有锁的,但是当方法执行结束之后,释放了对象锁.而`getI`是不会保持线程的锁的.  
遇到这种情况,我们需要保证线程在运行共享变量时候,是一直保持对象的锁的.  
我们可以像上方的写法,也可以像下方的写法进行书写.

synchronized public void addI(int i){
    		this.i = i;
    	}
    	synchronized public int getI(){
    		return i;
    	}

于此同时,`synchronized`关键字还具有如下的几点特性.

*  支持锁重入

synchronized public void addI(int i){
    		this.i = i;
    		System.out.println(getI());
    	}
    	synchronized public int getI(){
    		return i;
    	}

如果不支持锁重入的话,将会很容易的导致死锁的发生.

*  出现异常,锁会自动释放. (如果出现异常,锁不会进行释放的话.将会导致其他线程一直的进行等待.)
 *  同步锁不支持继承性.
 *  synchronized 与 static关键字  
    `synchronized`关键字修饰`static`关键字的时候,获取的是类锁.验证这个方法也非常的容易.我们通过创建多个对象进行操作.如果,多个对象的话.按照之前的常理来说,应该创建多个对象锁.并且线程是并行进行的.如果是同步的话,会进行等待.试验的例子如下所示:

class SyncClassObject{
    	
    	synchronized static public void getLock(){
    		System.out.println("Thread:"+Thread.currentThread().getName()+"Get Sync Lock. "+System.currentTimeMillis());
    		try {
    			Thread.sleep(5000);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		System.out.println("Thread:"+Thread.currentThread().getName()+"Get Sync Lock. "+System.currentTimeMillis());
    	}
    }
    
    class SyncClassThread extends Thread{
    	SyncClassObject object;
    	public SyncClassThread(SyncClassObject object){
    		this.object = object;
    	}
    	public void run(){
    		object.getLock();
    	}
    }
    public class SyncClassLock {
    	public static void main(String[] args) {
    		SyncClassThread thread1 = new SyncClassThread(new SyncClassObject());
    		SyncClassThread thread2 = new SyncClassThread(new SyncClassObject());
    		SyncClassThread thread3 = new SyncClassThread(new SyncClassObject());
    
    		thread1.start();
    		thread2.start();
    		thread3.start();
    	}
    }
    //Thread:Thread-0Get Sync Lock. 1552928317396
    //Thread:Thread-0Get Sync Lock. 1552928322398
    //Thread:Thread-2Get Sync Lock. 1552928322399
    //Thread:Thread-2Get Sync Lock. 1552928327411
    //Thread:Thread-1Get Sync Lock. 1552928327417
    //Thread:Thread-1Get Sync Lock. 1552928332421

由上述的结果可以看出,线程是串行执行的.因为获取的是`类锁`,几个线程等待的其实是同一个锁.

*  反编译 `javap -v Synchronized.class`

public static void main(java.lang.String[]);
        descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
          stack=2, locals=1, args_size=1
             0: ldc           #1                  // class com/yanxml/multithreading/tradition/core/chat/Synchronized
             2: dup
             3: monitorenter					  // 监控器进入 获取锁
             4: monitorexit						  // 监控器退出 释放锁
             5: invokestatic  #16                 // Method m:()V
             8: return
          LineNumberTable:
            line 7: 0
            line 12: 5
            line 13: 8
          LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
    
      public static synchronized void m();
        descriptor: ()V
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED

同步主要是通过`ACC_SYNCHRONIZED`关键字进行实现的.

##### Volatile关键字 #####

`volatile`关键字通常用于使线程内的变量更新到主内存.根据`JMM`模型可以知道,每个线程通常具有局部变量.当更新主内存的时候,线程空间内的局部变量是不会更新的.因此会导致,访问不通的情况.我们可以看下如下实例:

class NoVolatileThread extends Thread{
    	public boolean flag = true;
    	public void run(){
    		// 阻塞循环
    		while(flag){
    		}
    	}	
    }
    public class NoVolatileFlag {
    	public static void main(String[] args) {
    		NoVolatileThread thread = new NoVolatileThread();
    		thread.start();
    		try {
    			Thread.sleep(5000);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		thread.flag = false;
    	}
    }
    // 运行结果: 死循环

我们可以使用`volatile`关键字来处理这个尴尬的局面.

public volatile boolean flag = true;
    // 程序运行5s后自动停止

*  volatile关键字并不能进行原子操作

import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;
    
    class VolatileCountThread extends Thread{
    	volatile private static int count=0;
    	public VolatileCountThread(){
    	}
    	public VolatileCountThread(Thread thread){
    		super(thread);
    	}
    	public static void addNumber(){
    		for(int i=0;i<100;i++){
    			count++;
    		}
    		System.out.println("Thread:"+Thread.currentThread().getName()+"Count End. "+count);
    	}
    	public void run(){
    		addNumber();
    	}
    }
    public class VolatileCountAdd {
    	public static void main(String []args){
    //		VolatileCountThread thread = new VolatileCountThread();
    		List<Thread> list = new ArrayList<>();
    		for(int i=0;i<100;i++){
    			VolatileCountThread thread = new VolatileCountThread();
    			list.add(thread);
    		}
    		
    		for(Thread thread : list){
    			thread.start();
    		}
    	}
    }

Thread:Thread-1Count End. 400
    Thread:Thread-0Count End. 400
    Thread:Thread-3Count End. 400
    Thread:Thread-2Count End. 400
    Thread:Thread-5Count End. 600

*  synchronized关键字可以替换volatile关键字

class SyncUpdateVolatileThread extends Thread{
    	public volatile boolean flag = true;
    	synchronized public void run(){
    		// 阻塞循环
    		while(flag){
    		}
    	}	
    }
    public class SyncUpdateVolatile {
    	public static void main(String[] args) {
    		SyncUpdateVolatileThread thread = new SyncUpdateVolatileThread();
    		thread.start();
    		try {
    			Thread.sleep(5000);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		thread.flag = false;
    	}
    }
    // 程序运行5秒后自动停止了.

##### Tips #####

*  死锁的产生与如何解除死锁?  
    死锁是面试经常会问到的问题.根据之前操作系统的知识可以得知.死锁部分的知识通常分为`死锁的产生/死锁的避免/死锁的解除`  
    `死锁的产生`: 死锁的产生通常是因为多个线程分别获取多项资源导致,并且这些资源是互斥的资源.(产生环路 / 冲突)  
    – to be continue

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### 小结 ###

由本章可知.

> synchronized关键字

*  `synchronized`通常是用来解除多线程资源冲突的情况.`synchronzied`可以修饰方法体和某个对象方法.
 *  线程调用`synchronized`关键字修饰的方法时是呈同步效果,但是调用非`synchronized`关键字修饰的方法时是非同步效果.
 *  `synchronzied`还具有可以重入、异常释放锁、修饰`static`时获取类锁等特性.

> Volatile关键字

*  `volatile`可以将线程内的局部变量与总内存变量进行共享;
 *  `volatie`并不具有原子性;
 *  `synchronized`关键字可以替换`volatile`的功能;但是有时使用`volatile`关键字会使程序运行起来更加高效.

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### Reference ###

\[1\]. Java 多线程编程核心技术  
\[2\]. Java并发编程的艺术