使用synchronized和volatile实现Java多线程同步

小咪咪 2022-07-14 15:47 214阅读 0赞

上篇通过一个简单的例子说明了线程安全与不安全，在例子中不安全的情况下输出的结果恰好是逐个递增的(其实是巧合，多运行几次，会产生不同的输出结果)，为什么会产生这样的结果呢，因为建立的Count对象是线程共享的，一个线程改变了其成员变量num值，下一个线程正巧读到了修改后的num，所以会递增输出。

本文讲述传统的使用synchronized和volatile实现线程同步的方式。

下面同样用代码来展示一下线程同步问题。

TraditionalThreadSynchronized.Java：创建两个线程，执行同一个对象的输出方法。

\`\`\` public class TraditionalThreadSynchronized \{ public static void main(String\[\] args) \{

final Outputter output = new Outputter();  
        new Thread() {  
            public void run() {  
                output.output("zhangsan");  
            }  
        }.start();   
    
        new Thread() {  
            public void run() {  
                output.output("lisi");  
            }  
        }.start();  
    }

class Outputter \{ 
public void output(String name) \{ 
//为了保证对name的输出不是一个原子操作，这里逐个输出name的每个字符 
for(int i = 0; i < name.length(); i++) \{ 
System.out.print(name.charAt(i)); 
// Thread.sleep(10); 
\} 
\} 
\}

运行结果：

zhlainsigsan

显然输出的字符串被打乱了，我们期望的输出结果是zhangsanlisi，这就是线程同步问题，我们希望output方法被一个线程完整的执行完之后再切换到下一个线程，Java中使用synchronized保证一段代码在多线程执行时是互斥的，有两种用法：
 
 　　1. 使用synchronized将需要互斥的代码包含起来，并上一把锁。

\{ 
synchronized (this) \{ 
for(int i = 0; i < name.length(); i++) \{ 
System.out.print(name.charAt(i)); 
\} 
\} 
\}

这把锁锁住的必须是需要互斥的多个线程共享的对象，像下面的代码是没有意义的：

\{ 
Object lock = new Object(); 
synchronized (lock) \{ 
for(int i = 0; i < name.length(); i++) \{ 
System.out.print(name.charAt(i)); 
\} 
\} 
\}

每次进入output方法都会创建一个新的lock，这个锁显然每个线程都会创建，没有意义。
 
 　　 2. 将synchronized加在需要互斥的方法上。

public synchronized void output(String name) \{ 
for(int i = 0; i < name.length(); i++) \{ 
System.out.print(name.charAt(i)); 
\} 
\}

这种方式就相当于用this锁住整个方法内的代码块，如果用synchronized加在静态方法上，就相当于用××××.class锁住整个方法内的代码块。使用synchronized在某些情况下会造成死锁，死锁问题以后会说明。使用synchronized修饰的方法或者代码块可以看成是一个原子操作。
 
 　　 每个锁对象(JLS中叫monitor)都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了想要获得锁但被阻塞的线程，当一个线程被唤醒(notify)后，才会进入到就绪队列，等待CPU的调度，反之，当一个线程被wait后，就会进入阻塞队列，等待下一次被唤醒，这个涉及到线程间的通信。看我们的例子，当第一个线程执行输出方法时，获得同步锁，执行输出方法，恰好此时第二个线程也要执行输出方法，但发现同步锁没有被释放，第二个线程就会进入就绪队列，等待锁被释放。一个线程执行互斥代码过程如下：
 
 　　1. 获得同步锁； 
 　　2. 清空工作内存； 
 　　3. 从主内存拷贝对象副本到工作内存； 
 　　4. 执行代码(计算或者输出等)； 
 　　5. 刷新主内存数据； 
 　　6. 释放同步锁。
 
 　　 所以，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。
 
 　　volatile是第二种能够实现Java多线程同步的机制，根据JLS(Java Language Specifications)的说法，一个变量可以被volatile修饰，在这种情况下内存模型(主内存和线程工作内存)确保所有线程可以看到一致的变量最新值，Volatile的作用： 强制每次都直接读内存，阻止重排序，确保 voltile 类型的值一旦被写入工作内存必定会被立即更新到主存 。来看一段代码：

class Test \{  
static int i = 0, j = 0;

static void one() {  
        i++;  
        j++;  
    }  
    
    static void two() {  
        System.out.println(”i=” + i + “ j=” + j);  
    }

一些线程执行one方法，另一些线程执行two方法，two方法有可能打印出j比i大的值，按照之前分析的线程执行过程分析一下：
 
 　　1. 将变量i从主内存拷贝到工作内存； 
 　　2. 改变i的值； 
 　　 3. 刷新主内存数据，将工作内存的值写到主内存中； 
 　　4. 将变量j从主内存拷贝到工作内存； 
 　　5. 改变j的值； 
 　　6. 刷新主内存数据；
 
 　　如果执行two方法的线程先读取了主存i原来的值又读取了j改变后的值，这就会导致程序的输出不是我们预期的结果，要阻止这种不合理的行为的一种方式是在one方法和two方法前面加上synchronized修饰符：

class Test \{  
static int i = 0, j = 0;

static synchronized void one() {  
        i++;  
        j++;  
    }  
    
    static synchronized void two() {  
        System.out.println(”i=” + i + “ j=” + j);  
    }

根据前面的分析，我们可以知道，这时one方法和two方法再也不会并发的执行了，i和j的值在主内存中会一直保持一致，并且two方法输出的也是一致的。另一种同步的机制是在共享变量之前加上volatile关键字来修饰：

class Test \{  
static volatile int i = 0, j = 0;

static void one() {  
        i++;  
        j++;  
    }  
    
    static void two() {  
        System.out.println(”i=” + i + “ j=” + j);  
    }

one方法和two方法还会并发的去执行，但是加上volatile可以将共享变量i和j的改变直接响应到主内存中，这样保证了主内存中i和j的值与工作内存中的一致性，然而在执行two方法时，在two方法获取到i的值和获取到j的值中间的这段时间，one方法也许被执行了好多次，导致j的值会大于i的值。所以volatile可以保证内存可见性，不能保证并发有序性。
 
 　　没有明白JLS中为什么使用两个变量来阐述volatile的工作原理，这样不是很好理解。volatile是一种弱的同步手段，相对于synchronized来说，某些情况下使用，可能效率更高，因为它不是阻塞的。Volatile只能保证每次线程读取到的变量来自最新的内存，保证修改操作能够及时反馈到主内存中，相对于synchronized锁定内存的做法，volatile在读取时拥有很大的性能上的优势。通常volatile的使用场景是：存在多个线程同时运行，只有一个线程拥有对volatile属性的修改权，其他的线程只能进行读操作。
 
 　　对于volatile和synchronized性能的比较，我也说不太准，多线程本身就是比较玄的东西，依赖于CPU时间分片的调度。在JDK5.0之前，如果没有参透volatile的使用场景，还是不要使用了，尽量用synchronized来处理同步问题，线程阻塞这玩意简单粗暴。另外volatile和final不能同时修饰一个字段，可以思考为什么。final关键字表达的含义是“禁止修改”，这层有点类似于C++中的const关键字，用final关键字修饰的属性，对于Java编译器来说就是一个“常量”。其特点是： 具体的值在编译期间就已经被确定；运行时不能再被修改。