Java多线程之synchronized和volatile的比较

Posted 2020-07-04 Q-WHai

概述

在做多线程并发处理时，经常需要对资源进行可见性访问和互斥同步操作。有时候，我们可能从前辈那里得知我们需要对资源进行 volatile 或是 synchronized 关键字修饰处理。可是，我们却不知道这两者之间的区别，我们无法分辨在什么时候应该使用哪一个关键字。本文就针对这个问题，展开讨论。

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本文作者：Coding-Naga
发表日期： 2016年4月5日
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来源：CSDN
更多内容：分类 >> 并发与多线程

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内存语义分析

happens-before 模型简介

如果你单从字面上的意思来理解 happens-before 模型，你可能会觉得这是在说某一个操作在另一个操作之前执行。不过，学习完 happens-before 之后，你就不会还这样理解了。以下是《Java 并发编程的艺术》书上对 happens-before 的定义：

在 JMM(Java Memory Model) 中，如果一个操作执行的结果需要对另一个操作可见，那么这两个操作之间必须存在 happens-before 关系。这里提到的两个操作既可以在一个线程之内，也可以是在不同的线程之间。

volatile 的内存语义

对于多线程编程来说，每个线程是可以拥有共享内存中变量的一个拷贝，这一点在后面还是会讲到，这里就不作过多说明。如果一个变量被 volatile 关键字修饰时，那么对这的变量的写是将本地内存中的拷贝刷新到共享内存中；对这个变量的读会有一些不同，读的时候是无视他的本地内存的拷贝的，只是从共享变量中去读取数据。

synchronized 的内存语义

我们说 synchronized 实际上是对变量进行加锁处理。那么不管是读也好，写也好都是基于对这个变量的加锁操作。如果一个变量被 synchronized 关键字修饰，那么对这的变量的写是将本地内存中的拷贝刷新到共享内存中；对这个变量的读就是将共享内存中的值刷新到本地内存，再从本地内存中读取数据。因为全过程中变量是加锁的，其他线程无法对这个变量进行读写操作。所以可以理解成对这个变量的任何操作具有原子性，即线程是安全的。

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实例论证

上面的一些说明或是定义可能会有一些乏味枯燥，也不太好理解。这里我们就列举一些例子来说明，这样比较具体和形象一些。

volatile 可见性测试

RunThread.java

public class RunThread extends Thread {
    private boolean isRunning = true;
    
    public boolean isRunning() {
        return isRunning;
    }
    
    public void setRunFlag(boolean flag) {
        isRunning = flag;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("I'm come in...");
        boolean first = true;
        while(isRunning) {
            if (first) {
                System.out.println("I'm in while...");
                first = false;
            }
        }
        System.out.println("I'll go out.");
    }
}

MyRun.java

public class MyRun {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        RunThread thread = new RunThread();
        thread.start();
        Thread.sleep(100);
        thread.setRunFlag(false);
        System.out.println("flag is reseted: " + thread.isRunning());
    }
}

对于上面的例子只是一个很普通的多线程操作，这里我们很容易就得到了 RunThread 线程在 while 中进入了死循环。
我们可以在 main() 方法里看到一句 Thread.sleep(100) ，结合前面说到的 happens-before 内存模型，可知下面的 thread.setRunFlag(false) 并不会 happens-before 子线程中的 while 。这样一来，虽然主线程中对 isRunning 进行了修改，然而对子线程中的 while 来说，并没有改变，所以这就会引发在 while 中的死循环。
在这种情况下，线程工作时的内存模型像下面这样

在这里，可能你会奇怪，为什么会有两个“内存块”？这是出于多线程的性能考虑的。虽然对象以及成员变量分配的内存是在共享内存中的，不过对于每个线程而言，还是可以拥有这个对象的拷贝，这样做的目的是为了加快程序的执行，这也是现代多核处理器的一个显著特征。从上面的内存模型可以看出，Java的线程是直接与它自身的工作内存（本地内存）交互，工作内存再与共享内存交互。这样就形成了一个非原子的操作，在Java里多线程的环境下非原子的操作是很危险的。这个我们都已经知道了，因为这可能会被异步的读写操作所破坏。
这里工作内存被 while 占用，无法去更新主线程对共享内存 isRunning 变量的修改。所以，如果我们想要打破这种限制，可以通过 volatile 关键字来处理。通过 volatile 关键字修饰 while 的条件变量，即 isRunning。就像下面这样修改 RunThread.java 代码：

private volatile boolean isRunning = true;

这样一来， volatile 修改了 isRunning 的可见性，使得主线程的 thread.setRunFlag(false) 将会 happens-before 子线程中的 while 。最终，使得子线程从 while 的循环中跳出，问题解决。
下面我们来看看 volatile 是如何修改了 isRunning 的可见性的吧。

这里，因为 isRunning 被 volatile 修饰，那么当子线程想要访问工作内存中的 inRunning 时，被强制地直接从共享内存中获取。而共享内存中的 isRunning 被主线程修改过了，已经被修改成了 false ，while 被打破，这样子线程就从 while 的循环中跳出来了。

volatile 原子性测试

volatile 确实有很多优点，可是它却有一个致命的缺点，那就是 volatile 并不是原子操作。也就是在多线程的情况，仍然是不安全的。
可能，这个时候你会发问说，既然 volatile 保证了它在线程间的可见性，那么在什么时候修改它，怎么修改它，对于其他线程是可见的，某一个线程读到的都会是修改过的值，为什么还要说它还是不安全的呢？
我们通过一个例子来说明吧，这样更形象一些。大家看下面这样一段代码：

public class DemoNoProtected {

    static class MyThread extends Thread {
        static int count = 0;
        
        private static void addCount() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                count++;
            }
            System.out.println("count = " + count);
        }
        
        @Override
        public void run() {
            addCount();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        MyThread[] threads = new MyThread[100];
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threads[i] = new MyThread();
        }
        
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threads[i].start();
        }
    }
}

count = 300
count = 300
count = 300
count = 400
... ...
count = 7618
count = 7518
count = 9918

这是一个未经任何处理的，很直白的过程。可是它的结果，也很直白。其实这个结果并不让人意外，从我们学习Java的时候，就知道Java的多线程并不安全。是不是从上面的学习中，你感觉这个可以通过 volatile 关键字解决？既然你这么说，那么我们就来试一试，给 count 变量添加 volatile 关键字，如下：

public class DemoVolatile {
    static class MyThread extends Thread {
        static volatile int count = 0;
        ... ...
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        ... ...
    }
}

count = 100
count = 300
count = 400
count = 200
... ...
count = 9852
count = 9752
count = 9652
... ...
count = 8154
count = 8054

不知道这个结果是不是会让你感觉到意外。对于 count 的混乱的数字倒是好理解一些，应该多个线程同时修改时就发生这样的事情。可是我们在结果为根本找不到逻辑上的最大值“10000”，这就有一些奇怪了。因为从逻辑上来说， volatile修改了 count 的可见性，对于线程 A 来说，它是可见线程 B 对 count 的修改的。只是从结果中并没有体现这一点。
我们说，volatile并没有保证线程安全。在上面子线程中的 addCount() 方法里，执行的是 count++ 这样一句代码。而像 count++ 这样一句代码从学习Java变量自增的第一堂课上，老师就应该强调过它的执行过程。count++ 可以类比成以下的过程：

int tmp = count;
tmp = tmp + 1;
count = tmp;

可见，count++ 并非原子操作。任何两个线程都有可能将上面的代码分离进行，安全性便无从谈起了。
所以，到这里我们知道了 volatile 可以改变变量在线程之间的可见性，却不能改变线程之间的同步。而同步操作则需要其他的操作来保证。

synchronized 同步测试

上面说到 volatile 不能解决线程的安全性问题，这是因为 volatile 不能构建原子操作。而在多线程编程中有一个很方便的同步处理，就是 synchronized 关键字。下面来看看 synchronized 是如何处理多线程同步的吧，代码如下：

public class DemoSynchronized {

    static class MyThread extends Thread {
        static int count = 0;
        
        private synchronized static void addCount() {
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                count++;
            }
            System.out.println("count = " + count);
        }
        
        @Override
        public void run() {
            addCount();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        MyThread[] threads = new MyThread[100];
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threads[i] = new MyThread();
        }
        
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threads[i].start();
        }
    }
}

count = 100
count = 200
count = 300
... ...
count = 9800
count = 9900
count = 10000

通过 synchronized 我们可以很容易就获得了理想的结果。而关于 synchronized 关键字的内存模型可以这样来表示：

某一个线程在访问一个被 synchronized 修饰的变量时，会对此变量的共享内存进行加锁，那么这个时候其他线程对其的访问就会被互斥。 synchronized 的内部实现其实也是锁的概念。

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Ref

• 《Java多线程编程核心技术》
• 《Java并发编程的艺术》

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