[并发]synchronized与volatile

1 可见性介绍

1.1 可见性

可见性:一个线程对共享变量值得修改,能够及时的被其他线程看到.
共享变量:如果一个变量在多个线程的工作内存中都存在副本,那么这个变量就是这几个线程的共享变量.

1.2 java内存模型(JMM)

–注意区别于Java内存结构
java内存模型(Java Memory Model)描述了java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则,以及在JVM中将变量存储到内存和从内存读取变量这样的底层细节.

• 所有的变量都存储在主内存中
• 每个线程都有自己独立的工作内粗,里面保存该线程使用到的变量的副本(主内存中该变量的一份拷贝)
  

1.3 JMM中的两条规定:

• 线程对共享变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行,不能直接从主内存中读写
• 不同线程之间无法直接访问其他线程工作内存中的变量,线程间变量值的传递需要通过主内存来完成.

1.4 共享变量可见性实现的原理

线程1对共享变量的而修改想要被线程2 看到,必须经过如下的两个步骤:

• 把工作内存1中更新过的共享变量刷新到主内存中

• 将主内存中最新的共享变量的值更新到工作内存2中

  

2 可见性的实现方式

java语言层面支持的可见性实现方式:(语言层面,所以不包括JDK1.5以后 concurrent包以下的高级特性)

• synchronized
• volatile

2.1 synchronized实现可见性

synchronized能够实现:

• 原子性
• 可见性

JMM关于synchronized的两条规定:

• 线程解锁前,必须把工作内存中的最新值刷新到主内存中
• 线程加锁时,将清空工作内存中共享变量的值,从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值(注意:加锁与解锁需要的是同一把锁)

线程解锁前对共享变量的修改在下次加锁时对其他线程可见

线程执行互斥代码的过程:
1.获得互斥锁
2.清空工作内存
3.从主内存中拷贝变量的最新副本到工作内存中
4.执行代码
5.将更改后的共享变量的值刷新到主内存
6.释放互斥锁

2.1.1补充:重排序

重排序:代码书写的顺序与实际的执行顺序不同,指令重排序是编译器或者处理器为了提高程序性能而做的优化
1.编译器优化的重排序(编译器优化)
2.指令级并行重排序(处理器优化)
3.内存系统的重排序(处理器优化)

比如 代码顺序:

int number = 1;
int result  =0;

而执行顺序:

int result  =0;
int number = 1;

2.1.2 补充:as-if-serial:

as-if-serial:无论如何进行重排序,程序的执行的结果应该与代码顺序的结果一致(java编译器,运行时和处理器都会保证java在单线程下遵循as-if-serial语义)
(不管怎么重排序(编译器和处理器为了提高并行度),(单线程)程序的执行结果不能被改变。java内存中的变量都有指针引用，上下文引用成链，这个链是不会被打乱重排序的，**没有数据依赖关系的代码，才会被重排序，所以在单线程内部重排序不会改变程序运行结果)

int num1 = 1 ; 
int num2  = 2;
int sum  = num1+num2;

单线程:第1,2行的顺序可以重排,但是第三行不能,因为存在数据依赖关系,重排序不会给单线程带来内存可见性的问题.多线程中程序交错执行,重排序可能会造成内存可见性的问题.

2.1.3 synchronized实现可见性代码

/**
 * @dare 2018年7月20日
 * @description 
 * /

public class SynchronizedAndVolatileTester {
    // 共享变量
    private boolean ready = false;
    private int result = 0;
    private int number = 1;

    // 写操作
    public void write() {    //
        ready = true; // 1.1
        number = 2; // 1.2
    }

    // 读操作
    public void read() {
        if (ready) { // 2.1
            result = number * 3; // 2.2
        }
        System.out.println("result的值为：" + result);
    }

    // 内部线程类
    private class ReadWriteThread extends Thread {
        // 根据构造方法中传入的flag参数，确定线程执行读操作还是写操作
        private boolean flag;

        public ReadWriteThread(boolean flag) {
            this.flag = flag;
        }

        @Override
        public void run() {
            if (flag) {
                // 构造方法中传入true，执行写操作
                write();
            } else {
                // 构造方法中传入false，执行读操作
                read();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SynchronizedAndVolatileTester synDemo = new SynchronizedAndVolatileTester();
        // 启动线程执行写操作
        synDemo.new ReadWriteThread(true).start();
        /*try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }*/
        // 启动线程执行读操作
        synDemo.new ReadWriteThread(false).start();
    }
}

可能会出现很多种执行顺序:
1.1->2.1->2.2->1.2 result:3
1.2->2.1->2.2->1.1 result:0
1.1->1.2->2.1->2.2 result:6
2.2–>2.1->1.1->1.2 result:0
….
2.1和2.2重排序后:

int mid  = number*3;
if(ready){
    result = mid;
}

分析:
导致共享变量在线程间不可见的原因:
1.线程的交叉执行
2.重排序结合线程交叉执行
3.共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新

安全的代码::

/ 写操作
    public synchronized void write() {    //
        ready = true; // 1.1
        number = 2; // 1.2
    }

    // 读操作
    public synchronized void read() {
        System.out.println("result的值为：" + result);
    }

它是如何保证安全执行的?

不可见原因	synchronized解决方案
线程的交叉执行	原子性
重排序结合线程交叉执行	原子性
共享变量更新后的值没有在工作内存与主内存间及时更新	可见性

注意:不加synchronized ,共享变量也可能在线程间是可见性
- 不能保证volatile变量复合操作的原子性

3.1volatile如何实现内存可见性:

深入来说:通过加入内存屏障和禁止重排序优化来实现的.

• 对volatile变量执行写操作时,会在写操作后加入一条store屏障指令
• 对volatile变量行写操作时,会在读操作前加入一条load屏障指令

线程写volatile变量过程:
1.改变线程内存中volatile变量副本的值
2.将改变后的副本的值从工作内存中刷新到主内存
线程读volatile变量的过程:
1.从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中
2.从工作内存中读取volatile变量的副本

3.1.1volatile不能保证volatile变量复合操作的原子性:

volatile不能保证原子性demo

public class VolatileDemo {
    private int number = 0;

    public int getNumber(){
        return this.number;
    }

    public void increase(){
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
            this.number++;

    }

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        final VolatileDemo volDemo = new VolatileDemo();
        for(int i = 0 ; i < 500 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    volDemo.increase();
                }
            }).start();
        }

        //如果还有子线程在运行，主线程就让出CPU资源，
        //直到所有的子线程都运行完了，主线程再继续往下执行
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }

        System.out.println("number : " + volDemo.getNumber());
    }

}

程序分析:

假设有一瞬间number =5;之后
1.线程A读取number的值
2.线程B读取number的值
3.线程B执行加1操作
4.线程B写入最新number的值
此时:
主内存中:number =6;
线程B工作内存:number =6;
线程A工作内存:number = 5;(不会被更新)
5.线程A执行加1操作
6.线程A写入最新的number的值(到主内存)
–>两次number++只增加了1;

解决方案:

保证volatile自增操作的原子性:

• 使用synchronized关键字
• 使用reentrantLock(jdk1.5之后java.util.concurrent.locks下)
• 使用AtomicInterger(java.util.concurrent.atomic下)

package mkw.demo.vol;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class VolatileDemo {

    private Lock lock = new ReentrantLock();//可重入锁
    private int number = 0;

    public int getNumber(){
        return this.number;
    }

    public void increase(){
        try {
            Thread.sleep(100);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        lock.lock();
        try {
            this.number++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    /**
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        final VolatileDemo volDemo = new VolatileDemo();
        for(int i = 0 ; i < 500 ; i++){
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    volDemo.increase();
                }
            }).start();
        }

        //如果还有子线程在运行，主线程就让出CPU资源，
        //直到所有的子线程都运行完了，主线程再继续往下执行
        while(Thread.activeCount() > 1){
            Thread.yield();
        }

        System.out.println("number : " + volDemo.getNumber());
    }

}

volatile适用场合:

要在多线程中安全的使用volatile变量,必须同时满足:
1.对变量的写入操作不依赖当前值
- 不满足:number++ ,count = count*5;
- 满足:boolean变量,记录温度变化的变量等
2.该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
- 不满足 :不变式 low < up

synchronized和volatile比较

• volatile不需要加锁,比synchronized更轻量级,不会阻碍线程
• 从内存可见性角度看,volatile读相当于加锁,volatile写相当于解锁
• synchronized既能保证可见性,又能保证原子性,而volatile只能保证可见性不能保证原子性.

整理自:https://www.imooc.com/video/6776