詳解java并發(fā)編程(2) --Synchronized與Volatile區(qū)別

1 Synchronized

在多線程并發(fā)中synchronized一直是元老級別的角色。利用synchronized來實現(xiàn)同步具體有一下三種表現(xiàn)形式：

1. 對于普通的同步方法，鎖是當(dāng)前實例對象。
2. 對于靜態(tài)同步方法，鎖是當(dāng)前類的class對象。
3. 對于同步方法塊，鎖是synchronized括號里配置的對象。

當(dāng)一個代碼，方法或者類被synchronized修飾以后。當(dāng)一個線程試圖訪問同步代碼塊的時候，它首先必須得到鎖，退出或拋出異常的時候必須釋放鎖。那么這樣做有什么好處呢？

它主要確保多個線程在同一時刻，只能有一個線程處于方法或者同步塊中，它保證了線程對變量的可見性和排他性。

1.1 如何實現(xiàn)排他性

如下圖所示，一個普通的方法會有一個左右擺動的開關(guān)，可以連接到任意一個線程，如果該方法代碼不是原子性的，可能會出現(xiàn)一個線程并沒有將方法代碼執(zhí)行完畢就鏈接到另一個線程中去。而被synchronized修飾的方法，鏈接到一個線程后，除非這個線程將方法執(zhí)行完畢或者拋出異常，開關(guān)才會鏈接至別的線程。就這樣將一個并行的操作變了穿行操作。（同一時間保證只有一個線程在執(zhí)行方法代碼）

 int i = 1;
  public synchronized void increment(){
    i++;
  }

在前面并發(fā)基礎(chǔ)及鎖的原理中我們介紹過i++并不是原子操作，所有當(dāng)多個線程同時操作i++的時候可能會出現(xiàn)多線程并發(fā)問題。而上訴代碼塊中i++是在synchronized修飾的方法中。其中一個線程進(jìn)入該方法首先獲得當(dāng)前實例對象的鎖，當(dāng)另一個線程試圖執(zhí)行該方法的時候，由于前一個線程并沒有執(zhí)行完畢釋放掉鎖，所以該線程掛起等待鎖的釋放。

通過加鎖的方式我們實現(xiàn)了將i++非原子操作的方法變成了原子操作的方法。從而實現(xiàn)了排他性。

1.2 如何實現(xiàn)可見性

因為在java內(nèi)存模型中規(guī)定：在執(zhí)行被synchronized修飾的代碼時，線程首先獲取鎖→清空工作內(nèi)存→在主內(nèi)存中拷貝最新變量的副本到工作內(nèi)存→執(zhí)行完代碼→將工作內(nèi)存中更改后的共享變量的值刷新到主內(nèi)存中→釋放互斥鎖。

這里有一個細(xì)節(jié)需要注意： 當(dāng)一個線程A將最新的共享變量刷新到主內(nèi)存的時候，會導(dǎo)致緩存在其他線程B的工作內(nèi)存的這個共享變量失效。
當(dāng)線程B下一次去訪問這個變量的時候，會發(fā)現(xiàn)，工作緩存的這個變量已經(jīng)失效。會強(qiáng)制從主內(nèi)存中重新讀取這個共享變量

2 Volatile

當(dāng)聲明共享變量為volatile后，對這個變量的讀/寫將會很特別。volatile可以說是java虛擬機(jī)提供的最輕量級的同步機(jī)制。他只能能只能保證變量的可見性與讀/寫的原子性。要理解volatile確實是不容易的，接下來我們進(jìn)入深入的分析！

2.1 volatile的特性

下面有兩個示例代碼：

public class VolatileTest1 {
  volatile long a = 0L;          //使用volatile聲明64位的long型變量

  public void set(long b) {      
    a = b;               //單個volatile變量的寫
  }

  public void increment() {      
    a++;                //復(fù)合（多個）volatile變量的讀/寫
  }

  public long get() {
    return a;              //的那個volatile變量的讀
  }
}

public class VolatileTest2 {
  long a = 0L;                //64位的普通long型變量

  public synchronized void set(long b) {   //單個普通變量的寫使用同步鎖
    a = b;
  }

  public void increment() {          //普通方法調(diào)用
    long tmp = get();            //調(diào)用以同步的讀方法
    tmp += 1;                //普通的寫操作
    set(tmp);                //調(diào)用以同步的寫方法
  }

  public synchronized long get() {      //單個普通變量的讀使用同步鎖
    return a;            
  }
}

上述兩個示例代碼所帶來的的執(zhí)行效果是相同的。

可以看到被volatile修飾的變量讀與寫操作是原子性的。如前面所述，被Synchronized修飾的變量每次寫操作完成后，會強(qiáng)制將工作內(nèi)存中緩存的共享變量強(qiáng)制刷新到主內(nèi)存中。所以保證了volatile修飾變量的可見性。

從上述示例代碼中我們也能看出，即便讀與寫是原子性，但是依舊不能保證 a++；是原子操作。這也是很多人對volatile字段理解困難的原因所在。

簡而言之，volatile變量自身具有下列特征。

1. 可見性：對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入。
2. 原子性：對任意單個volat變量的讀 / 寫具有原子性，但類似volatile++這種復(fù)合操作不具有原子性。

在這里樓主插一個之前遇到的面試題：請問對于double和long類型的讀寫是原子性的嗎？double和long類型是64位的，在一些32位的處理器上，可能會把一個64位的long/double型變量的寫操作才分為兩個32位的寫操作來執(zhí)行。座椅此時對這個64位變量的寫操作將不具有原子性。但是如果被volatile修飾的話，寫64位的double和long的操作依舊是原子操作。

2.2 volatile的禁止重排序

除了前面內(nèi)存可見性中講到的volatile關(guān)鍵字可以保證變量修改的可見性之外，還有另一個重要的作用：在JDK1.5之后，可以使用volatile變量禁止指令重排序。

volatile關(guān)鍵字通過提供“內(nèi)存屏障”的方式來防止指令被重排序，為了實現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義，編譯器在生成字節(jié)碼時，會在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。

對于編譯器來說，發(fā)現(xiàn)一個最優(yōu)布置來最小化插入屏障的總數(shù)幾乎不可能，為此，Java內(nèi)存模型采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM內(nèi)存屏障插入策略：

1. 在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障。
2. 在每個volatile寫操作的后面插入一個StoreLoad屏障。
3. 在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadLoad屏障。
4. 在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadStore屏障

總結(jié)來說：

1. volatile寫操作之前的操作不會被編譯器重排序到寫操作之后。
2. volatile讀之后的操作不會被編譯器重排序到volatile讀操作之前。
3. 第一個是volatile讀操作，第二個是volatile寫操作，不能重排序

2.3 volatile的使用場景

1.狀態(tài)標(biāo)志

用volatile修飾的boolean 變量來作為while循環(huán)的的判斷條件：當(dāng)這個變量被其他線程修改的時候能保證while循環(huán)能立即讀到。

2.一次性安全發(fā)布

初始化對象的正確步驟為：

1. 1、分配對象的內(nèi)存空間
2. 2、初始化對象
3. 3、設(shè)置引用指向剛分配的內(nèi)存地址

然而由于重排序機(jī)制，可能導(dǎo)致2、3步驟重排序，導(dǎo)致初始化對象的步驟變?yōu)?1-3-2。
著名的雙重檢查鎖定存在的問題就是因為初始化對象的重排序，引用所指向的對象可能還沒有完成初始化，而僅僅是指向了一個空的內(nèi)存地址。

3.獨(dú)立觀察

這是第一種使用場景的引用。例如一種環(huán)境傳感器能夠感覺環(huán)境溫度。一個后臺線程可能會每隔幾秒讀取一次該傳感器，并更新包含當(dāng)前文檔的 volatile 變量。然后，其他線程可以讀取這個變量，從而隨時能夠看到最新的溫度值。

4.開銷較低的讀－寫鎖策略

前面我們介紹過，因為 ++x 實際上是三種操作（讀、添加、存儲）的簡單組合，如果多個線程湊巧試圖同時對 volatile 計數(shù)器執(zhí)行增量操作，那么它的更新值有可能會丟失。但是被volatile修飾變量的讀 / 寫卻是原子操作。所以當(dāng)共享變量被volatile修飾之后，我們只需要在復(fù)合操作的方法上加上synchronized比直接用synchronized修飾該變量效率高的多。

2.4 volatile總結(jié)

相對于synchronized塊的代碼鎖，volatile應(yīng)該是提供了一個輕量級的針對共享變量的鎖，當(dāng)我們在多個線程間使用共享變量進(jìn)行通信的時候需要考慮將共享變量用volatile來修飾。

volatile是一種稍弱的同步機(jī)制，在訪問volatile變量時不會執(zhí)行加鎖操作，也就不會執(zhí)行線程阻塞，因此volatilei變量是一種比synchronized關(guān)鍵字更輕量級的同步機(jī)制。

3 synchronized和volatile的區(qū)別

1、 volatile不會進(jìn)行加鎖操作：

volatile變量是一種稍弱的同步機(jī)制在訪問volatile變量時不會執(zhí)行加鎖操作，因此也就不會使執(zhí)行線程阻塞，因此volatile變量是一種比synchronized關(guān)鍵字更輕量級的同步機(jī)制。

2、volatile變量作用類似于同步變量讀寫操作：

從內(nèi)存可見性的角度看，寫入volatile變量相當(dāng)于退出同步代碼塊，而讀取volatile變量相當(dāng)于進(jìn)入同步代碼塊。

3、volatile不如synchronized安全：

在代碼中如果過度依賴volatile變量來控制狀態(tài)的可見性，通常會比使用鎖的代碼更脆弱，也更難以理解。僅當(dāng)volatile變量能簡化代碼的實現(xiàn)以及對同步策略的驗證時，才應(yīng)該使用它。一般來說，用同步機(jī)制會更安全些。

4、volatile無法同時保證內(nèi)存可見性和原則性：

加鎖機(jī)制（即同步機(jī)制）既可以確?？梢娦杂挚梢源_保原子性，而volatile變量只能確?？梢娦?，原因是聲明為volatile的簡單變量如果當(dāng)前值與該變量以前的值相關(guān)，那么volatile關(guān)鍵字不起作用，也就是說如下的表達(dá)式都不是原子操作：“count++”、“count = count+1”。

以上所述是小編給大家介紹的Synchronized與Volatile區(qū)別詳解整合，希望對大家有所幫助，如果大家有任何疑問請給我留言，小編會及時回復(fù)大家的。在此也非常感謝大家對億速云網(wǎng)站的支持！