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多线程学习笔记(1):volatile和synchronized

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今天开始整理学习多线程的知识,谈谈最重要的两个关键字:volatile和synchronized。

一、三个特性

1、原子性

所谓原子性操作就是指这些操作是不可中断的,要么执行过程中不被中断,要么不做。在Java中对基本数据类型的读取和赋值操作是原子性操作,比如i++就不是原子性操作,分为三步:读取i,i++,写回。

2、可见性

这个特性可以通过Java的内存模型来理解。
链接描述

Java的内存模型如上图所示,可以看到,一个线程对变量进行操作时,首先需要将变量从主存拷贝一个副本到工作内存中,操作完之后再给工作内存中的变量赋值,再传回主存。但是这样一个过程比较慢,在使用多线程的时候就会出现问题。

而所谓的内存可见性,就是在使用volatile关键字之后,对变量的修改会立即刷回主存。

3、有序性

有序性是指多线程执行结果的正确性。这里介绍一下指令重排的概念。

指令重排:这一机制是指JMM允许对指令进行重排,但是这种重排不会影响程序的结果。比如a++; b++;两条指令之间没有联系,因此可以调换顺序。
这种机制在多线程中会出现问题,因此可以通过volatile来禁止重排。

二、volatile

1、volatile关键字的特性:

(1)保证了不同线程对被修饰变量操作的内存可见性
(2)禁止了指令的重排序

从内存的语义上看,写volatile变量时,会将更新的值直接写回到主存;读volatile变量时,会直接从主存中读取变量。

2、volatile关键字的特点

volatile关键字可以保证有序性可见性,但是无法保证原子性

举一个例子,现在内存中有一个count为0,现在A进程和B进程想对count做加一操作,首先A和B都将count取出,A和B的工作内存中的count值都为0,此时A做加一操作,并写回主存,而B也只会对0做加一操作,因为B已经读完了,他并不知道主存中的count已经被修改过了,因此可见无法保证原子性。

3、volatile的底层实现

volatile主要是通过lock指令前缀来实现的:
(1)重排序时不能把后面的指令重排到前面
(2)使本CPU的cache写入主存
(3)写入时,其他CPU的cache无效,也就是直接从主存中读取,对外部可见

三、synchronized关键字

1、概念

(1)一个非常直观的解释是:
Java语言的关键字,当它用来修饰一个方法或者一个代码块的时候,能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码。
(2)官方的解释是:
Java中的synchronized,通过使用内置锁,来实现对变量的同步操作,进而实现了对变量操作的原子性和其他线程对变量的可见性,从而确保了并发情况下的线程安全

2、特点

比起volatile关键字,synchronized关键字不仅能够保证可见性,还可以保持原子性。

3、实现

synchronized关键字的原理,就是通过锁,线程拿到锁之后,其他线程就会阻塞等待。

在Java中每一个对象都有一个与之关联的锁,称为内置锁
当我们使用synchronized修饰非静态方法时,用的是调用该方法的实例的内置锁,也就是this;
当我们使用synchronized修饰静态方法时,用的是调用该方法的所在的类对象的内置锁;
更多时候,我们使用的是synchronized代码块,我们经常用的是synchronized(this),也就是把对象实例作为锁。如下

    public void process() {
        doProcess();
        synchronized (this) {
            count ++;
        }
    }

4、重入问题

public class Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        ...
    }
}

public class LoggingWidget extends Widget {
    public synchronized void doSomething() {
        System.out.println(toString() + ": calling doSomething");
        super.doSomething();
    }
}

值得注意的是,在这个程序中,两个doSomething函数都有synchronized关键字,那么在执行过程中是否会发生死锁呢,答案是否定的,因为获得锁的是线程,因此这两个函数都用的是同一个锁,因此又称为可重入锁

参考:
https://hzy38324.gitbooks.io/... 《Java并发编程实践》

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