JAVA多线程之volatile 与 synchronized 的比较

Posted 2020-10-10

一，volatile关键字的可见性

要想理解volatile关键字，得先了解下JAVA的内存模型，Java内存模型的抽象示意图如下：

从图中可以看出：

①每个线程都有一个自己的本地内存空间--线程栈空间???线程执行时，先把变量从主内存读取到线程自己的本地内存空间，然后再对该变量进行操作

②对该变量操作完后，在某个时间再把变量刷新回主内存

关于JAVA内存模型，更详细的可参考： 深入理解Java内存模型（一）——基础

因此，就存在内存可见性问题，看一个示例程序：（摘自书上）

 1 public class RunThread extends Thread {
 2 
 3     private boolean isRunning = true;
 4 
 5     public boolean isRunning() {
 6         return isRunning;
 7     }
 8 
 9     public void setRunning(boolean isRunning) {
10         this.isRunning = isRunning;
11     }
12 
13     @Override
14     public void run() {
15         System.out.println("进入到run方法中了");
16         while (isRunning == true) {
17         }
18         System.out.println("线程执行完成了");
19     }
20 }
21 
22 public class Run {
23     public static void main(String[] args) {
24         try {
25             RunThread thread = new RunThread();
26             thread.start();
27             Thread.sleep(1000);
28             thread.setRunning(false);
29         } catch (InterruptedException e) {
30             e.printStackTrace();
31         }
32     }
33 }

Run.java 第28行，main线程 将启动的线程RunThread中的共享变量设置为false，从而想让RunThread.java 第14行中的while循环结束。

如果，我们使用JVM -server参数执行该程序时，RunThread线程并不会终止！从而出现了死循环！！

原因分析：

现在有两个线程，一个是main线程，另一个是RunThread。它们都试图修改 第三行的 isRunning变量。按照JVM内存模型，main线程将isRunning读取到本地线程内存空间，修改后，再刷新回主内存。

而在JVM 设置成 -server模式运行程序时，线程会一直在私有堆栈中读取isRunning变量。因此，RunThread线程无法读到main线程改变的isRunning变量

从而出现了死循环，导致RunThread无法终止。这种情形，在《Effective JAVA》中，将之称为“活性失败”

解决方法，在第三行代码处用 volatile 关键字修饰即可。这里，它强制线程从主内存中取 volatile修饰的变量。

    volatile private boolean isRunning = true;

 

扩展一下，当多个线程之间需要根据某个条件确定 哪个线程可以执行时，要确保这个条件在 线程 之间是可见的。因此，可以用volatile修饰。

综上，volatile关键字的作用是：使变量在多个线程间可见（可见性）

 

二，volatile关键字的非原子性

所谓原子性，就是某系列的操作步骤要么全部执行，要么都不执行。

比如，变量的自增操作 i++，分三个步骤：

①从内存中读取出变量 i 的值

②将 i 的值加1

③将 加1 后的值写回内存

这说明 i++ 并不是一个原子操作。因为，它分成了三步，有可能当某个线程执行到了第②时被中断了，那么就意味着只执行了其中的两个步骤，没有全部执行。

关于volatile的非原子性，看个示例：

 1 public class MyThread extends Thread {
 2     public volatile static int count;
 3 
 4     private static void addCount() {
 5         for (int i = 0; i < 100; i++) {
 6             count++;
 7         }
 8         System.out.println("count=" + count);
 9     }
10 
11     @Override
12     public void run() {
13         addCount();
14     }
15 }
16 
17 public class Run {
18     public static void main(String[] args) {
19         MyThread[] mythreadArray = new MyThread[100];
20         for (int i = 0; i < 100; i++) {
21             mythreadArray[i] = new MyThread();
22         }
23 
24         for (int i = 0; i < 100; i++) {
25             mythreadArray[i].start();
26         }
27     }
28 }

MyThread类第2行，count变量使用volatile修饰

Run.java 第20行 for循环中创建了100个线程，第25行将这100个线程启动去执行 addCount()，每个线程执行100次加1

期望的正确的结果应该是 100*100=10000，但是，实际上count并没有达到10000

原因是：volatile修饰的变量并不保证对它的操作（自增）具有原子性。（对于自增操作，可以使用JAVA的原子类AutoicInteger类保证原子自增）

比如，假设 i 自增到 5，线程A从主内存中读取i，值为5，将它存储到自己的线程空间中，执行加1操作，值为6。此时，CPU切换到线程B执行，从主从内存中读取变量i的值。由于线程A还没有来得及将加1后的结果写回到主内存，线程B就已经从主内存中读取了i，因此，线程B读到的变量 i 值还是5

相当于线程B读取的是已经过时的数据了，从而导致线程不安全性。这种情形在《Effective JAVA》中称之为“安全性失败”

综上，仅靠volatile不能保证线程的安全性。（原子性）

 

此外，volatile关键字修饰的变量不会被指令重排序优化。这里以《深入理解JAVA虚拟机》中一个例子来说明下自己的理解：

线程A执行的操作如下：

Map configOptions ;
char[] configText;

volatile boolean initialized = false;

//线程A首先从文件中读取配置信息,调用process...处理配置信息,处理完成了将initialized 设置为true
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfig(configText, configOptions);//负责将配置信息configOptions 成功初始化
initialized = true;

 

线程B等待线程A把配置信息初始化成功后，使用配置信息去干活.....线程B执行的操作如下：

while(!initialized)
{
    sleep();
}

//使用配置信息干活
doSomethingWithConfig();

 

如果initialized变量不用 volatile 修饰，在线程A执行的代码中就有可能指令重排序。

即：线程A执行的代码中的最后一行：initialized = true 重排序到了 processConfig方法调用的前面执行了，这就意味着：配置信息还未成功初始化，但是initialized变量已经被设置成true了。那么就导致 线程B的while循环“提前”跳出，拿着一个还未成功初始化的配置信息去干活(doSomethingWithConfig方法)。。。。

因此，initialized 变量就必须得用 volatile修饰。这样，就不会发生指令重排序，也即：只有当配置信息被线程A成功初始化之后，initialized 变量才会初始化为true。综上，volatile 修饰的变量会禁止指令重排序（有序性）

 

三，volatile 与 synchronized 的比较

volatile主要用在多个线程感知实例变量被更改了场合，从而使得各个线程获得最新的值。它强制线程每次从主内存中讲到变量，而不是从线程的私有内存中读取变量，从而保证了数据的可见性。

关于synchronized，可参考：JAVA多线程之Synchronized关键字--对象锁的特点

比较：

①volatile轻量级，只能修饰变量。synchronized重量级，还可修饰方法

②volatile只能保证数据的可见性，不能用来同步，因为多个线程并发访问volatile修饰的变量不会阻塞。

synchronized不仅保证可见性，而且还保证原子性，因为，只有获得了锁的线程才能进入临界区，从而保证临界区中的所有语句都全部执行。多个线程争抢synchronized锁对象时，会出现阻塞。

 

四，线程安全性

线程安全性包括两个方面，①可见性。②原子性。

从上面自增的例子中可以看出：仅仅使用volatile并不能保证线程安全性。而synchronized则可实现线程的安全性