synchronized 与 volatile 关键字

目录

• ​​1.前言​​
• ​​1.synchronized 关键字​​

• ​​1. 互斥​​
• ​​2.保证内存可见性​​
• ​​3.可重入​​

• ​​2. volatile 关键字​​

• ​​1.保证内存可见性​​
• ​​2.无法保证原子性​​

• ​​3.synchronized 与 volatile 的区别​​

1.前言

  ​​synchronized​​​关键字和​​volatile​​​是大家在​​Java​​多线程学习时接触的两个关键字，很多同学可能学习完就忘记了，本文帮助大家回顾以及学习两个关键字的作用，以及说出它们的区别，同时也为了自己学习巩固。

1.synchronized 关键字

1. 互斥

  属于​​synchronized​​​最关键的特性，可以起到互斥的作用，当某个线程执行到某个对象的​​synchronized​​中时，其他线程如果也执行到同一个对象 的​​synchronized​​ 时就会进行阻塞等待。

• 进入​​synchronized​​ 修饰的代码块此时相当于 加锁
• 退出​​synchronized​​ 修饰的代码块此时相当于 释放锁

其解决的问题是在多线程环境下，多个线程对于同一个变量进行读写操作时可能产生的线程安全问题。
如下图代码：

public class Main {
    static int count = 0;
    static void add() {
        count++;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                add();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                add();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

按照预期，我们希望​​count​​​的值应该是​​100000​​，当执行后输出的答案却是：

无论多次执行多少次，答案总是与预期相差甚远。这是最简单的多线程安全问题。因为​​count++​​​这个操作，需要先将​​count​​从主内存读入到工作内存，然后增值，再将更改后的值写回主内存，这一系列操作必须保证原子性，而在多线程环境下是无法保证的，所以我们需要加上​​synchronized​​进行上锁，以此保证自增这个操作的原子性。

只需更改​​add​​方法如下：

synchronized static void add() {
        count++;
    }

再次运行后答案与预期相符合：

需要注意一点，​​synchronized​​修饰方法时如果是静态方法，则加的是该类对象的锁，如果是成员方法，则加的是对象锁。

2.保证内存可见性

从上面也可以看出​​synchronized​​的工作过程：

• 1.获得互斥锁
• 2.从主内存拷贝变量的最新副本到工作内存
• 3.执行代码
• 4.讲更改后的共享变量的值更新回工作内存
• 5.释放互斥锁

这样的工作流程，是一定可以保证内存可见性的。当然有的同学并不了解什么是内存可见性，下文讲​​volatile​​时我们稍微讲一下，因为它也能保证内存可见性。

3.可重入

​​synchronized​​同步块，对于同一条线程来说是可重入的，不会出现将自身锁死的情况。

当然大家可能对 自身锁死 这个情况不太理解，我们举例一个代码：

public class Main {
    //锁对象
    public static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        //一次加锁
        synchronized (lock) {
            //二次加锁
            synchronized (lock) {
                System.out.println("正确输出");
            }
        }
    }
}

当线程在一次加锁时，会成功加锁，当第二次加锁时，此时​​lock​​已被上锁，于是该线程进行阻塞等待，但其实这个锁是被它自己拿着的，它又不进行释放锁操作，于是将自己锁死。这样的锁称之为 不可重入锁。

当我们​​Java​​​中的​​synchronized​​是可重入锁，不会出现上面的问题，它可以正确打印：

如果对上述代码还不够理解，可以再看一个二次加锁的例子：

public class Main {
    public int count = 0;

    synchronized void increase() {
        count++;
    }

    synchronized void increase2() {
        increase();
    }
}

在上诉代码中：

• ​​increase​​​和​​increase2​​​两个方法都加了​​synchronized ​​，而且它们的锁对象都是针对当前对象加锁的。
• 在调用​​increase2​​​时，会先给该对象上锁，执行调用​​increase​​​时，会二次上锁（此时上个锁还未释放），这是没问题的，因为​​synchronized​​是可重入锁。

那是否真的上了两把锁呢？
其实并非如此，在可重入锁的内部，包含了 线程持有者 和 计数器 两个信息。

• 如果某个线程加锁时，发现锁已被占用，但又发现占用的恰好是自己时，那么然后可以获取到这个锁，并让计数器自增
• 解锁时首先会让计数器自减，但只有真正自减到​​0​​时，我们才会真正意义上的将该锁释放，以供其他线程获取到。

2. volatile 关键字

相对于 ​​synchronized​​​来说，大家可能对​​volatile​​会比较陌生，我们来看看其有哪些作用。

1.保证内存可见性

简单来说，线程在工作时，会去主内存中读取数据到工作内存中，然后从工作内存读取数据。但是，线程从工作内存读取数据的速度，要远远的大于从主内存读取数据。

当一个线程大量地从主内存请求同一个变量的值时，它会发现这个值一直没变，此时​​jvm​​会 “自作主张” 的进行优化，直接从工作内存读取之前读到的值。这就会导致一个问题，其他线程对这个共享变量值进行修改，这个线程不能及时地被看到，也就读到了一个错误的值。

比如如下代码：

public class Main{
    static int isQuit = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            while (isQuit == 0) {

            }
            System.out.println("t线程执行结束");
        });
        t.start();
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        isQuit = sc.nextInt();
        System.out.println("main线程执行结束");
    }
}

执行以后随便输入一个非零整数：

发现​​t​​​线程仍然在进行，而​​main​​​线程已经结束，但按照逻辑其实此时​​isQuit​​​值被修改为非零，​​t​​​线程也应该结束。这就是由于内存可见性产生的问题，​​main​​​线程修改了​​isQuit​​​的值​​t​​线程并不能及时的接收到。

解决的方法也很简单，只需要给​​isQuit​​​加上​​volatile​​​关键字，这样每次​​t​​​线程都会强制去主内存中读取​​isQuit​​的值，从而保证了内存可见性。

2.无法保证原子性

  ​​volatile​​​相较于​​synchronized​​​来说，主要在于其无法保证原子性，也就是对于下面这个程序，即使给​​count​​​加上​​volatile​​​，我们也无法让​​count​​​的值为​​100000​​。

public class Main {
    static int count = 0;
    static void add() {
        count++;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                add();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                add();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(count);
    }
}

3.synchronized 与 volatile 的区别

  根据上面的总结，我们可知：​​synchronized​​​既可以保证原子性还可以保证内存可见性，而​​volatile​​​只能保证内存可见性。那有的人是不是肯定想，那我们无脑使用​​synchronized​​​不就好了吗？
  那肯定不对，​​​synchronized​​​会进行加锁，使得效率大大的较低，而​​volatile​​​却不会影响效率，所以只有必须要保证原子性的操作，我们才选择​​synchronized​​进行加锁。