在并发编程中分析线程安全的问题时往往需要切入点,那就是 两大核心 :JMM抽象内存模型以及happens-before规则(在这篇文章中已经经过了),三条性质: 原子性,有序性和可见性 。关于synchronized和volatile已经讨论过了,就想着将并发编程中这两大神器在 原子性,有序性和可见性 上做一个比较,当然这也是面试中的高频考点,值得注意。
原子性是指 一个操作是不可中断的,要么全部执行成功要么全部执行失败,有着“同生共死”的感觉 。及时在多个线程一起执行的时候,一个操作一旦开始,就不会被其他线程所干扰。我们先来看看哪些是原子操作,哪些不是原子操作,有一个直观的印象:
int a = 10; //1 a++; //2 int b=a; //3 a = a+1; //4
上面这四个语句中只 有第1个语句是原子操作 ,将10赋值给线程工作内存的变量a,而语句2(a++),实际上包含了三个操作:1. 读取变量a的值;2:对a进行加一的操作;3.将计算后的值再赋值给变量a,而这三个操作无法构成原子操作。对语句3,4的分析同理可得这两条语句不具备原子性。当然,java内存模型中定义了8中操作都是原子的,不可再分的。
上面的这些指令操作是相当底层的,可以作为扩展知识面掌握下。那么如何理解这些指令了?比如,把一个变量从主内存中复制到工作内存中就需要执行read,load操作,将工作内存同步到主内存中就需要执行store,write操作。注意的是: java内存模型只是要求上述两个操作是顺序执行的并不是连续执行的 。也就是说read和load之间可以插入其他指令,store和writer可以插入其他指令。比如对主内存中的a,b进行访问就可以出现这样的操作顺序: read a,read b, load b,load a 。
由原子性变量操作read,load,use,assign,store,write,可以 大致认为基本数据类型的访问读写具备原子性 (例外就是long和double的非原子性协定)
synchronized
上面一共有八条原子操作,其中六条可以满足基本数据类型的访问读写具备原子性,还剩下lock和unlock两条原子操作。如果我们需要更大范围的原子性操作就可以使用lock和unlock原子操作。尽管jvm没有把lock和unlock开放给我们使用,但jvm以更高层次的指令monitorenter和monitorexit指令开放给我们使用,反应到java代码中就是---synchronized关键字,也就是说 synchronized满足原子性 。
volatile 我们先来看这样一个例子:
public class VolatileExample { private static volatile int counter = 0; public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < 10; i++) { Thread thread = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10000; i++) counter++; } }); thread.start(); } try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(counter); } }
开启10个线程,每个线程都自加10000次,如果不出现线程安全的问题最终的结果应该就是:10*10000 = 100000;可是运行多次都是小于100000的结果,问题在于 volatile并不能保证原子性 ,在前面说过counter++这并不是一个原子操作,包含了三个步骤:1.读取变量counter的值;2.对counter加一;3.将新值赋值给变量counter。如果线程A读取counter到工作内存后,其他线程对这个值已经做了自增操作后,那么线程A的这个值自然而然就是一个过期的值,因此,总结果必然会是小于100000的。
如果让volatile保证原子性,必须符合以下两条规则:
synchronized
synchronized语义表示锁在同一时刻只能由一个线程进行获取,当锁被占用后,其他线程只能等待。因此,synchronized语义就要求线程在访问读写共享变量时只能“串行”执行,因此 synchronized具有有序性 。
volatile
在java内存模型中说过,为了性能优化,编译器和处理器会进行指令重排序;也就是说java程序天然的有序性可以总结为: 如果在本线程内观察,所有的操作都是有序的;如果在一个线程观察另一个线程,所有的操作都是无序的 。在单例模式的实现上有一种双重检验锁定的方式(Double-checked Locking)。代码如下:
public class Singleton { private Singleton() { } private volatile static Singleton instance; public Singleton getInstance(){ if(instance==null){ synchronized (Singleton.class){ if(instance==null){ instance = new Singleton(); } } } return instance; } }
这里为什么要加volatile了?我们先来分析一下不加volatile的情况,有问题的语句是这条:
instance = new Singleton();
这条语句实际上包含了三个操作:1.分配对象的内存空间;2.初始化对象;3.设置instance指向刚分配的内存地址。但由于存在重排序的问题,可能有以下的执行顺序:
如果2和3进行了重排序的话,线程B进行判断if(instance==null)时就会为true,而实际上这个instance并没有初始化成功,显而易见对线程B来说之后的操作就会是错得。而 用volatile修饰 的话就可以禁止2和3操作重排序,从而避免这种情况。 volatile包含禁止指令重排序的语义,其具有有序性 。
可见性是指当一个线程修改了共享变量后,其他线程能够立即得知这个修改。通过之前对synchronzed内存语义进行了分析,当线程获取锁时会从主内存中获取共享变量的最新值,释放锁的时候会将共享变量同步到主内存中。从而, synchronized具有可见性 。同样的在volatile分析中,会通过在指令中添加 lock指令 ,以实现内存可见性。因此, volatile具有可见性