volatile和synchronized的区别

谈这两个的区别,首先需要理解线程安全的两个方面:执行控制内存可见

执行控制的目的是控制代码执行(顺序)及是否可以并发执行。

内存可见控制的是线程执行结果在内存中对其它线程的可见性。根据Java内存模型的实现,线程在具体执行时,会先拷贝主存数据到线程本地(CPU缓存),操作完成后再把结果从线程本地刷到主存。

volatile和synchronized的作用

synchronized关键字解决的是执行控制的问题,它会阻止其它线程获取当前对象的监控锁,这样就使得当前对象中被synchronized关键字保护的代码块无法被其它线程访问,也就无法并发执行。更重要的是,synchronized还会创建一个内存屏障,内存屏障指令保证了所有CPU操作结果都会直接刷到主存中,从而保证了操作的内存可见性,同时也使得先获得这个锁的线程的所有操作,都happens-before于随后获得这个锁的线程的操作。

volatile关键字解决的是内存可见性的问题,会使得所有对volatile变量的读写都会直接刷到主存,即保证了变量的可见性。这样就能满足一些对变量可见性有要求而对读取顺序没有要求的需求。

使用volatile关键字仅能实现对原始变量(如boolen、 short 、int 、long等)操作的原子性,但需要特别注意, volatile不能保证复合操作的原子性,即使只是i++,实际上也是由多个原子操作组成:read i; inc; write i,假如多个线程同时执行i++volatile只能保证他们操作的i是同一块内存,但依然可能出现写入脏数据的情况。

为什么volatile++不是原子性的

因为它实际上是三个操作组成的一个复合操作。

  1. 首先获取volatile变量的值
  2. 将该变量的值加1
  3. 将该volatile变量的值写会到对应的主存地址

一个简单的例子:

如果两个线程在volatile读阶段都拿到的是a=1,那么后续在线程对应的CPU核心上进行自增当然都得到的是a=2,最后两个写操作不管怎么保证原子性,结果最终都是a=2。每个操作本身都没啥问题,但是合在一起,从整体上看就是一个线程不安全的操作:发生了两次自增操作,然而最终结果却不是3。

第一步:读

在第一步操作的指令后,会增加两个内存屏障:

  1. 在Volatile读操作后插入LoadLoad屏障,确保前面的数据的装载先于所有后续装载指令的装载
  2. 在Volatile读操作后插入LoadStore屏障,确保 前面的 数据装载先于所有后续存储指令刷新到内存

因此第一个指令和它后续的普通读写操作会被保证没有重排序来捣乱。通常是去内存中去读。

那么问题又来了,为什么通常去内存中读?

其实这个问题要说细的话可以很细,大概就两个关键点吧:

  1. volatile的写操作的缓存失效机制
  2. 最后一个对volatile变量执行写操作的CPU,由于在它对应的缓存中保有最新的值,因此可以不用再去主存里面获取

具体看下面第三步的分析。

第二步:自增

这个步骤没什么特别的,就是在CPU自身的高速缓存(寄存器,L1-L3 Cache)中完成。不涉及到缓存和内存的交互。

第三步:写

volatile写算是一个重点。

根据JMM对于volatile变量类型的语义规范:volatile在编译之后,会在变量写操作时添加LOCK前缀指令。这个LOCK前缀指令在多核处理器的环境中,有这样的作用:

  1. 通知CPU将当前处理器缓存行的数据写回到系统主存中
  2. 该写回操作将使其他CPU缓存了该内存地址的数据无效

另外,内存屏障在volatile的写操作中起到了很大的作用,来保证上面两点能够实现:

  1. 在Volatile写操作前插入StoreStore屏障,确保前面的数据对其他处理器可见(刷新到内存)先于续存储指令的存储
  2. 在Volatile写操作后插入StoreLoad屏障,确保前面的数据对其他处理器变得可见(指刷新到内存)先后续装载指令的装载。StoreLoad Barriers 会使该屏障之前的所有内存访问指令(存储和装载指令)完成后,才执行该屏障之后的内存访问指令

解决办法

那么为了解决volatile++这类复合操作的原子性,有什么方案呢?其实方案也比较多的,这里提供两种典型的:

  1. 使用synchronized关键字
  2. 使用AtomicInteger/AtomicLong原子类型

synchronized关键字

synchronized是比较原始的同步手段。它本质上是一个独占的,可重入的锁。当一个线程尝试获取它的时候,可能会被阻塞住,所以高并发的场景下性能存在一些问题。

在某些场景下,使用synchronized关键字和volatile是等价的:

  1. 写入变量值时候不依赖变量的当前值,或者能够保证只有一个线程修改变量值。
  2. 写入的变量值不依赖其他变量的参与。
  3. 读取变量值时候不能因为其他原因进行加锁。

加锁可以同时保证可见性和原子性,而volatile只保证变量值的可见性。

volatile和synchronized的区别总结

使用上的区别
volatile只能修饰变量,synchronized只能修饰方法和语句块;

对原子性的保证
synchronized可以保证原子性,volatile不能保证原子性;

对可见性的保证
都可以保证可见性,但实现原理不同,volatile对变量加了lock,synchronized使用monitorEnter和monitorExit;

对有序性的保证
都可以保证有序性,但是synchronized并发退化到串行;

其他
synchronized引起阻塞;volatile不会引起阻塞;

posted @ 2021-02-14 12:19  等不到的口琴  阅读(57)  评论(0编辑  收藏