淺談synchronized 和 volatitle 實現(xiàn)線程安全的策略

什么是線程不安全

對線程安全的理解就是多個線程同時操作一個共享變量時會產(chǎn)生意料之外的情況，這種情況就是線程不安全。注意：只有寫操作才可能出現(xiàn)線程不安全，對共享變量只進行讀操作線程是絕對安全的。

具體線程不安全的例子有一個很經(jīng)典的就是兩個線程都對一個共享變量 x=0 執(zhí)行 100 次自增操作，但是 x 的結果并非 200

因此線程不安全的條件是：多線程 + 共享變量 + 寫操作

Java的內(nèi)存模型

你可能會好奇線程是如何獲取共享變量的？

Java 線程之間的通信由 Java 內(nèi)存模型（簡稱 JMM）控制，從抽象的角度來說，JMM 定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關系。JMM 的抽象示意圖如圖所示：

從圖中可以看到：

• 共享變量存在于主內(nèi)存中，也就是堆內(nèi)存

• 每一個線程都保存了一份該線程使用到的共享變量的副本

• 線程讀取共享變量優(yōu)先從本地內(nèi)存(也就是棧內(nèi)存)中讀取，寫共享變量先寫到棧內(nèi)存，再寫入堆內(nèi)存

• 線程之間對共享變量的通信只能通過堆內(nèi)存

以上只是 Java 內(nèi)存模型的抽象圖，實際上線程的工作模型是這樣的，棧內(nèi)存即是兩個緩沖區(qū)

接下來看一個線程不安全的例子：

假設線程 A、B 操作同一個共享變量 X，初始兩級 Cache 都為空

1. 線程A想要讀取X的值，由于兩級 Cache 都沒有命中，因此加載堆內(nèi)存中的 X=0，并緩存到兩個 Cache 中

2. 線程 A 修改 X 的值為 1，為為兩個 Cache 刷新 X，再刷新到堆內(nèi)存

3. 線程 B 想要獲取 X 的值，一級緩存沒有獲取到，二級緩存命中，讀取到 X=1

4. 線程B想要修改X的值為 2，先刷新自，己的一級緩存為 2，再刷新二級緩存和堆內(nèi)存中的 X 為 2。目前為止一切正常，接下來重點來了

5. 線程 A 想要讀取 X 的值，一級緩存命中此時 X=1，但是堆內(nèi)存中的 X=2。可以看到線程B寫入的共享變量對 X 不可見，出現(xiàn)了線程不安全的情況。

由于 Java 內(nèi)存機制就是這樣設計的，因此多個線程操作同一個變量會產(chǎn)生不安全的問題，volatitle 關鍵字這是被設計出來解決這一問題的，它只能用于單個變量。

volatile解決共享變量線程不安全的策略

還是接著上面這個例子，這樣定義 X

volatle int X=0

volatile 的內(nèi)存語義是：

當一個線程對 volatile 修飾的變量進行寫操作時，JMM 會立即將該線程對應的棧內(nèi)存中的副本的值刷新到堆內(nèi)存中；當一個線程對 volatile 修飾的變量進行讀時，JMM 會清空此變量的一二級緩存，直接從堆內(nèi)存中讀取共享變量的值。

volatile 可以當作一個輕量級的鎖來使用，但 volatile 僅僅只能保證共享變量內(nèi)存的可見性，不能保證操作共享變量的原子性，而鎖（如 synchronized）能保證整段鎖范圍內(nèi)的代碼具有原子性。

synchronized 與鎖

首先要明確的是 synchronized 不是鎖，鎖都是基于對象的( Object 的子類)，Java 中的每一個對象都可以作為一個鎖。

synchronized 是 Java 的一個關鍵字，保證臨界區(qū)內(nèi)的代碼同一時刻只能有一個線程執(zhí)行。

線程的執(zhí)行代碼在進入 synchronized 代碼塊前會自動獲取內(nèi)部鎖，這時候其他線程訪問該同步代碼塊時會被阻塞掛起。拿到內(nèi)部鎖的線程會在正常退出同步代碼塊或者拋出異常后或者在同步塊內(nèi)調(diào)用了該內(nèi)置鎖資源的wait系列方法時釋放該內(nèi)置鎖。內(nèi)置鎖是排它鎖，也就是當一個線程獲取這個鎖后，其他線程必須等待該線程釋放鎖后才能獲取該鎖。

sysnchronized的內(nèi)部鎖可以是：

• 當前類的 class 字節(jié)碼對象：this.getClass

• 當前類的一個實例：this

• 一個 Object 對象

wait 和 notify 方法只能用于 synchronized 同步代碼塊內(nèi)

synchronized 的內(nèi)存語義

與 volatile 不同

進入 synchronized 塊的內(nèi)存語義是把再 synchronized 塊內(nèi)使用到的所有共享變量從棧內(nèi)存中清空，這樣就只能從堆內(nèi)存只讀取，保證了內(nèi)存可見性。退出 synchronized 塊的內(nèi)存語義是把 synchronized 塊內(nèi)對共享變量的修改刷新到堆內(nèi)存。

仔細想想，這其實也是一個加鎖和解鎖的過程，保證共享變量修改的可見性。

總結

• volatile 僅能保證單個共享變量內(nèi)存的可見性，不能保證原子性。而 synchronized 既可保證同步塊內(nèi)所有共享變量的內(nèi)存可見性，又能保證其操作的原子性。

• volatile 是一個輕量級的保證內(nèi)存可見性的關鍵字，實際上并沒有加鎖。因此它的性能很高。
  

• synchronized 是一個重量級的鎖，可以用在代碼塊、普通方法以及靜態(tài)方法上。用在代碼塊時鎖就是 synchronized(~) 內(nèi)的對象，用在普通方法時鎖就是this,用在靜態(tài)方法時鎖就是 this.getClass()

• synchronized 保證同步塊內(nèi)代碼的原子性，因為要進行線程上下文切換，性能較低。不過優(yōu)化過后性能也還可以。

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