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天津11选5攻略:既生synchronized,何生volatile

開發十年,就只剩下這套架構體系了??!

天津11选5蛋托玩法 www.ijudhr.com.cn 在我的博客和公眾號中,發表過很多篇關于并發編程的文章,之前的文章中我們介紹過了兩個在Java并發編程中比較重要的兩個關鍵字:synchronized和volatile

我們簡單回顧一下相關內容:

1、Java語言為了解決并發編程中存在的原子性、可見性和有序性問題,提供了一系列和并發處理相關的關鍵字,比如synchronized、volatile、final、concurren包等。(再有人問你Java內存模型是什么,就把這篇文章發給他)

2、synchronized通過加鎖的方式,使得其在需要原子性、可見性和有序性這三種特性的時候都可以作為其中一種解決方案,看起來是“萬能”的。的確,大部分并發控制操作都能使用synchronized來完成。再有人問你synchronized是什么,就把這篇文章發給他。

3、volatile通過在volatile變量的操作前后插入內存屏障的方式,保證了變量在并發場景下的可見性和有序性。再有人問你volatile是什么,把這篇文章也發給他

4、volatile關鍵字是無法保證原子性的,而synchronized通過monitorenter和monitorexit兩個指令,可以保證被synchronized修飾的代碼在同一時間只能被一個線程訪問,即可保證不會出現CPU時間片在多個線程間切換,即可保證原子性。Java的并發編程中的多線程問題到底是怎么回事兒?

那么,我們知道,synchronized和volatile兩個關鍵字是Java并發編程中經常用到的兩個關鍵字,而且,通過前面的回顧,我們知道synchronized可以保證并發編程中不會出現原子性、可見性和有序性問題,而volatile只能保證可見性和有序性,那么,既生synchronized、何生volatile?

synchronized的問題

我們都知道synchronized其實是一種加鎖機制,那么既然是鎖,天然就具備以下幾個缺點:

1、有性能損耗

雖然在JDK 1.6中對synchronized做了很多優化,如如適應性自旋、鎖消除、鎖粗化、輕量級鎖和偏向鎖等(深入理解多線程(五)—— Java虛擬機的鎖優化技術),但是他畢竟還是一種鎖。

以上這幾種優化,都是盡量想辦法避免對Monitor(深入理解多線程(四)—— Moniter的實現原理)進行加鎖,但是,并不是所有情況都可以優化的,況且就算是經過優化,優化的過程也是有一定的耗時的。

所以,無論是使用同步方法還是同步代碼塊,在同步操作之前還是要進行加鎖,同步操作之后需要進行解鎖,這個加鎖、解鎖的過程是要有性能損耗的。

關于二者的性能對比,由于虛擬機對鎖實行的許多消除和優化,使得我們很難量化這兩者之間的性能差距,但是我們可以確定的一個基本原則是:volatile變量的讀操作的性能小號普通變量幾乎無差別,但是寫操作由于需要插入內存屏障所以會慢一些,即便如此,volatile在大多數場景下也比鎖的開銷要低。

2、產生阻塞

我們在深入理解多線程(一)——Synchronized的實現原理中介紹過關于synchronize的實現原理,無論是同步方法還是同步代碼塊,無論是ACC_SYNCHRONIZED還是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor實現的。

基于Monitor對象,當多個線程同時訪問一段同步代碼時,首先會進入Entry Set,當有一個線程獲取到對象的鎖之后,才能進行The Owner區域,其他線程還會繼續在Entry Set等待。并且當某個線程調用了wait方法后,會釋放鎖并進入Wait Set等待。

?

所以,synchronize實現的鎖本質上是一種阻塞鎖,也就是說多個線程要排隊訪問同一個共享對象。

而volatile是Java虛擬機提供的一種輕量級同步機制,他是基于內存屏障實現的。說到底,他并不是鎖,所以他不會有synchronized帶來的阻塞和性能損耗的問題。

volatile的附加功能

除了前面我們提到的volatile比synchronized性能好以外,volatile其實還有一個很好的附加功能,那就是禁止指令重排。

我們先來舉一個例子,看一下如果只使用synchronized而不使用volatile會發生什么問題,就拿我們比較熟悉的單例模式來看。

我們通過雙重校驗鎖的方式實現一個單例,這里不使用volatile關鍵字:

 1   public class Singleton {  
 2      private static Singleton singleton;  
 3       private Singleton (){}  
 4       public static Singleton getSingleton() {  
 5       if (singleton == null) {  
 6           synchronized (Singleton.class) {  
 7               if (singleton == null) {  
 8                   singleton = new Singleton();  
 9               }  
 10           }  
 11       }  
 12       return singleton;  
 13       }  
 14   }  

以上代碼,我們通過使用synchronized對Singleton.class進行加鎖,可以保證同一時間只有一個線程可以執行到同步代碼塊中的內容,也就是說singleton = new Singleton()這個操作只會執行一次,這就是實現了一個單例。

但是,當我們在代碼中使用上述單例對象的時候有可能發生空指針異常。這是一個比較詭異的情況。

我們假設Thread1 和 Thread2兩個線程同時請求Singleton.getSingleton方法的時候:

?

Step1 ,Thread1執行到第8行,開始進行對象的初始化。 Step2 ,Thread2執行到第5行,判斷singleton == null。 Step3 ,Thread2經過判斷發現singleton != null,所以執行第12行,返回singleton。 Step4 ,Thread2拿到singleton對象之后,開始執行后續的操作,比如調用singleton.call()。

以上過程,看上去并沒有什么問題,但是,其實,在Step4,Thread2在調用singleton.call()的時候,是有可能拋出空指針異常的。

之所有會有NPE拋出,是因為在Step3,Thread2拿到的singleton對象并不是一個完整的對象。

我們這里來分析一下,singleton = new Singleton();這行代碼到底做了什么事情,大致過程如下:

1、虛擬機遇到new指令,到常量池定位到這個類的符號引用。 2、檢查符號引用代表的類是否被加載、解析、初始化過。 3、虛擬機為對象分配內存。 4、虛擬機將分配到的內存空間都初始化為零值。 5、虛擬機對對象進行必要的設置。 6、執行方法,成員變量進行初始化。 7、將對象的引用指向這個內存區域。

我們把這個過程簡化一下,簡化成3個步驟:

a、JVM為對象分配一塊內存M b、在內存M上為對象進行初始化 c、將內存M的地址復制給singleton變量

?

因為將內存的地址賦值給singleton變量是最后一步,所以Thread1在這一步驟執行之前,Thread2在對singleton==null進行判斷一直都是true的,那么他會一直阻塞,直到Thread1將這一步驟執行完。

但是,以上過程并不是一個原子操作,并且編譯器可能會進行重排序,如果以上步驟被重排成:

a、JVM為對象分配一塊內存M c、將內存的地址復制給singleton變量 b、在內存M上為對象進行初始化

?

這樣的話,Thread1會先執行內存分配,在執行變量賦值,最后執行對象的初始化,那么,也就是說,在Thread1還沒有為對象進行初始化的時候,Thread2進來判斷singleton==null就可能提前得到一個false,則會返回一個不完整的sigleton對象,因為他還未完成初始化操作。

這種情況一旦發生,我們拿到了一個不完整的singleton對象,當嘗試使用這個對象的時候就極有可能發生NPE異常。

那么,怎么解決這個問題呢?因為指令重排導致了這個問題,那就避免指令重排就行了。

所以,volatile就派上用場了,因為volatile可以避免指令重排。只要將代碼改成以下代碼,就可以解決這個問題:

 1   public class Singleton {  
 2      private volatile static Singleton singleton;  
 3       private Singleton (){}  
 4       public static Singleton getSingleton() {  
 5       if (singleton == null) {  
 6           synchronized (Singleton.class) {  
 7               if (singleton == null) {  
 8                   singleton = new Singleton();  
 9               }  
 10           }  
 11       }  
 12       return singleton;  
 13       }  
 14   }  

對singleton使用volatile約束,保證他的初始化過程不會被指令重排。

synchronized的有序性保證呢?

看到這里可能有朋友會問了,說到底上面問題還是個有序性的問題,不是說synchronized是可以保證有序性的么,這里為什么就不行了呢?

首先,可以明確的一點是:synchronized是無法禁止指令重排和處理器優化的。那么他是如何保證的有序性呢?

這就要再把有序性的概念擴展一下了。Java程序中天然的有序性可以總結為一句話:如果在本線程內觀察,所有操作都是天然有序的。如果在一個線程中觀察另一個線程,所有操作都是無序的。

以上這句話也是《深入理解Java虛擬機》中的原句,但是怎么理解呢?周志明并沒有詳細的解釋。這里我簡單擴展一下,這其實和as-if-serial語義有關。

as-if-serial語義的意思指:不管怎么重排序,單線程程序的執行結果都不能被改變。編譯器和處理器無論如何優化,都必須遵守as-if-serial語義。

這里不對as-if-serial語義詳細展開了,簡單說就是,as-if-serial語義保證了單線程中,不管指令怎么重排,最終的執行結果是不能被改變的。

那么,我們回到剛剛那個雙重校驗鎖的例子,站在單線程的角度,也就是只看Thread1的話,因為編譯器會遵守as-if-serial語義,所以這種優化不會有任何問題,對于這個線程的執行結果也不會有任何影響。

但是,Thread1內部的指令重排卻對Thread2產生了影響。

那么,我們可以說,synchronized保證的有序性是多個線程之間的有序性,即被加鎖的內容要按照順序被多個線程執行。但是其內部的同步代碼還是會發生重排序,只不過由于編譯器和處理器都遵循as-if-serial語義,所以我們可以認為這些重排序在單線程內部可忽略。

總結

本文從兩方面論述了volatile的重要性以及不可替代性:

一方面是因為synchronized是一種鎖機制,存在阻塞問題和性能問題,而volatile并不是鎖,所以不存在阻塞和性能問題。

另外一方面,因為volatile借助了內存屏障來幫助其解決可見性和有序性問題,而內存屏障的使用還為其帶來了一個禁止指令重排的附件功能,所以在有些場景中是可以避免發生指令重排的問題的。

(全文完) 歡迎關注『Java之道』微信公眾號
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