线程同步synchronized和volatile

摘要: 线程同步synchronized和volatile

上篇通过一个简单的例子说明了线程安全与不安全，在例子中不安全的情况下输出的结果恰好是逐个递增的，为什么会产生这样的结果呢，因为建立的Count对象是线程共享的，一个线程改变了其成员变量num值，下一个线程正巧读到了修改后的num，所以会递增输出。
要说明线程同步问题首先要说明Java线程的两个特性，可见性和有序性。多个线程之间是不能直接传递数据交互的，它们之间的交互只能通过共享变量来实现。拿上篇博文中的例子来说明，在多个线程之间共享了Count类的一个对象，这个对象是被创建在主内存(堆内存)中，每个线程都有自己的工作内存(线程栈)，工作内存存储了主内存Count对象的一个副本，当线程操作Count对象时，首先从主内存复制Count对象到工作内存中，然后执行代码count.count()，改变了num值，最后用工作内存Count刷新主内存Count。当一个对象在多个内存中都存在副本时，如果一个内存修改了共享变量，其它线程也应该能够看到被修改后的值，此为可见性。由上述可知，一个运算赋值操作并不是一个原子性操作，多个线程执行时，CPU对线程的调度是随机的，我们不知道当前程序被执行到哪步就切换到了下一个线程，一个最经典的例子就是银行汇款问题，一个银行账户存款100，这时一个人从该账户取10元，同时另一个人向该账户汇10元，那么余额应该还是100。那么此时可能发生这种情况，A线程负责取款，B线程负责汇款，A从出内存读到100，B从主内存读到100，A执行减10操作，并将数据刷新到主内存，这时主内存数据100-10=90，而B内存执行加10操作，并将数据刷新到主内存，最后主内存数据100+10=110，显然这是一个严重的问题，我们要保证A线程和B线程有序执行，先取款后汇款或者先汇款后取款，此为有序性。

看代码,TranditionalThead.java创建两个线程去访问同一个方法

package org.thread;

public class TranditionalThead {

public static void main(String[] args) {
final Outputer outputer = new Outputer();
Runnable runnable1 = new Runnable(){
public void run(){
outputer.input("HeinrichChen");
};

};

Runnable runnable2 = new Runnable(){

public void run(){
outputer.input("Heinrich.Shen");
}
};

new Thread(runnable1).start();
new Thread(runnable2).start();
}

}

package org.thread;

public class Outputer {

public void input(String name){

for(int i =0;i<name.length();i++){
System.out.print(name.charAt(i));
}

}

}

运行的结果:

HHeinrich.eSheninrichChen
我想要的结果是
HeinrichChenHeinrich.Shen

这个时候他们会出现我们不想要出现的事情 这就是线程同步问题，我们希望output方法被一个线程完整的执行完之后在切换到下一个线程， Java中使用synchronized保证一段代码在多线程执行时是互斥的，有两种用法：

第一种

synchronized (this) {
for(int i =0;i<name.length();i++){
System.out.print(name.charAt(i));
}
}

锁住我们需要操作的代码块

使用synchronized将需要互斥的代码包含起来，并上一把锁。

运行的结果是

HeinrichChenHeinrich.Shen

这就是我想要的结果

第二种

将synchronized加在需要互斥的方法上。

也即是

HeinrichChenHeinrich.Shen

这种方式就相当于用this锁住整个方法内的代码块，如果用synchronized加在静态方法上，就相当于用××××.class锁住整个方法内的代码块。使用synchronized在某些情况下会造成死锁，死锁问题以后会说明。

每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列，就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程，当一个线程被唤醒(notify)后，才会进入到就绪队列，等待CPU的调度，反之，当一个线程被wait后，就会进入阻塞队列，等待下一次被唤醒，这个涉及到线程间的通信，下一篇博文会说明。看我们的例子，当第一个线程执行输出方法时，获得同步锁，执行输出方法，恰好此时第二个线程也要执行输出方法，但发现同步锁没有被释放，第二个线程就会进入就绪队列，等待锁被释放。一个线程执行互斥代码过程如下：

1. 获得同步锁；
2. 清空工作内存；

3. 从主内存拷贝对象副本到工作内存；

4. 执行代码(计算或者输出等)；

5. 刷新主内存数据；

6. 释放同步锁。

所以，synchronized既保证了多线程的并发有序性，又保证了多线程的内存可见性。

volatile是第二种Java多线程同步的手段，根据JLS的说法，一个变量可以被volatile修饰，

在这种情况下内存模型确保所有线程可以看到一致的变量值，来看一段代码：

package org.thread;

public class CountNum {

public static int i = 0, j = 0;

public static void count() {

for (int m = 0; m < 10000; m++) {

j++;

i++;
}

}

public static void show() {
if (i < j) {
System.out.println("i==>" + i + "==="
+ Thread.currentThread().getName());
System.out.println("j==>" + j + "==="
+ Thread.currentThread().getName());
}
}
}

一些线程执行one方法，另一些线程执行count方法，show方法有可能打印出j比i大的值，按照之前分析的线程执行过程分析一下：

1. 将变量i从主内存拷贝到工作内存；
2. 改变i的值；

3. 刷新主内存数据；

4. 将变量j从主内存拷贝到工作内存；
5. 改变j的值；

6. 刷新主内存数据；
这个时候执行show方法的线程先读取了主存i原来的值又读取了j改变后的值，这就导致了程序的输出不是我们预期的结果，那么可以在共享变量之前加上volatile。

package org.thread;

public class CountNum {

public volatile static int i = 0, j = 0;

public static void count() {

for (int m = 0; m < 10000; m++) {

j++;

i++;
}

}

public static void show() {
if (i < j) {
System.out.println("i==>" + i + "==="
+ Thread.currentThread().getName());
System.out.println("j==>" + j + "==="
+ Thread.currentThread().getName());
}
}
}

package org.thread;

public class CountTest {

public static void main(String[] args) {

Runnable runnable1 = new Runnable() {

@Override
public void run() {

new CountNum().count();
}
};

Runnable runnable2 = new Runnable() {

@Override
public void run() {
new CountNum().show();
}
};

for(int i=0;i<1000;i++){
new Thread(runnable1).start();
new Thread(runnable2).start();
}

}

}

i==>4938===Thread-3
j==>7160===Thread-3
i==>7951===Thread-7
j==>8328===Thread-7
i==>8814===Thread-11
j==>9169===Thread-11
i==>18925===Thread-15

加上volatile可以将共享变量i和j的改变直接响应到主内存中，这样保证了i和j的值可以保持一致，然而我们不能保证执行two方法的线程是在i和j执行到什么程度获取到的，所以volatile可以保证内存可见性，不能保证并发有序性。