JAVA多線程之volatile 與 synchronized 的比較

一，volatile關鍵字的可見性

要想理解volatile關鍵字，得先了解下JAVA的內存模型，Java內存模型的抽象示意圖如下：

從圖中可以看出：

①每個線程都有一個自己的本地內存空間--線程棧空間???線程執行時，先把變量從主內存讀取到線程自己的本地內存空間，然后再對該變量進行操作

②對該變量操作完后，在某個時間再把變量刷新回主內存

關於JAVA內存模型，更詳細的可參考： 深入理解Java內存模型（一）——基礎

因此，就存在內存可見性問題，看一個示例程序：（摘自書上）

public class RunThread extends Thread {

    private boolean isRunning = true;

    public boolean isRunning() {
        return isRunning;
    }

    public void setRunning(boolean isRunning) {
        this.isRunning = isRunning;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println("進入到run方法中了");
        while (isRunning == true) {
        }
        System.out.println("線程執行完成了");
    }
}

public class Run {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            RunThread thread = new RunThread();
            thread.start();
            Thread.sleep(1000);
            thread.setRunning(false);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

Run.java 第28行，main線程 將啟動的線程RunThread中的共享變量設置為false，從而想讓RunThread.java 第14行中的while循環結束。

如果，我們使用JVM -server參數執行該程序時，RunThread線程並不會終止！從而出現了死循環！！

原因分析：

現在有兩個線程，一個是main線程，另一個是RunThread。它們都試圖修改 第三行的 isRunning變量。按照JVM內存模型，main線程將isRunning讀取到本地線程內存空間，修改后，再刷新回主內存。

而在JVM 設置成 -server模式運行程序時，線程會一直在私有堆棧中讀取isRunning變量。因此，RunThread線程無法讀到main線程改變的isRunning變量

從而出現了死循環，導致RunThread無法終止。這種情形，在《Effective JAVA》中，將之稱為“活性失敗”

解決方法，在第三行代碼處用 volatile 關鍵字修飾即可。這里，它強制線程從主內存中取 volatile修飾的變量。

    volatile private boolean isRunning = true;

 

擴展一下，當多個線程之間需要根據某個條件確定 哪個線程可以執行時，要確保這個條件在 線程 之間是可見的。因此，可以用volatile修飾。

綜上，volatile關鍵字的作用是：使變量在多個線程間可見（可見性）

 

二，volatile關鍵字的非原子性

所謂原子性，就是某系列的操作步驟要么全部執行，要么都不執行。

比如，變量的自增操作 i++，分三個步驟：

①從內存中讀取出變量 i 的值

②將 i 的值加1

③將 加1 后的值寫回內存

這說明 i++ 並不是一個原子操作。因為，它分成了三步，有可能當某個線程執行到了第②時被中斷了，那么就意味着只執行了其中的兩個步驟，沒有全部執行。

關於volatile的非原子性，看個示例：

public class MyThread extends Thread {
    public volatile static int count;

    private static void addCount() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            count++;
        }
        System.out.println("count=" + count);
    }

    @Override
    public void run() {
        addCount();
    }
}

public class Run {
    public static void main(String[] args) {
        MyThread[] mythreadArray = new MyThread[100];
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            mythreadArray[i] = new MyThread();
        }

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            mythreadArray[i].start();
        }
    }
}

MyThread類第2行，count變量使用volatile修飾

Run.java 第20行 for循環中創建了100個線程，第25行將這100個線程啟動去執行 addCount()，每個線程執行100次加1

期望的正確的結果應該是 100*100=10000，但是，實際上count並沒有達到10000

原因是：volatile修飾的變量並不保證對它的操作（自增）具有原子性。（對於自增操作，可以使用JAVA的原子類AutoicInteger類保證原子自增）

比如，假設 i 自增到 5，線程A從主內存中讀取i，值為5，將它存儲到自己的線程空間中，執行加1操作，值為6。此時，CPU切換到線程B執行，從主從內存中讀取變量i的值。由於線程A還沒有來得及將加1后的結果寫回到主內存，線程B就已經從主內存中讀取了i，因此，線程B讀到的變量 i 值還是5

相當於線程B讀取的是已經過時的數據了，從而導致線程不安全性。這種情形在《Effective JAVA》中稱之為“安全性失敗”

綜上，僅靠volatile不能保證線程的安全性。（原子性）

 

此外，volatile關鍵字修飾的變量不會被指令重排序優化。這里以《深入理解JAVA虛擬機》中一個例子來說明下自己的理解：

線程A執行的操作如下：

Map configOptions ;
char[] configText;

volatile boolean initialized = false;

//線程A首先從文件中讀取配置信息,調用process...處理配置信息,處理完成了將initialized 設置為true
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfig(configText, configOptions);//負責將配置信息configOptions 成功初始化
initialized = true;

 

線程B等待線程A把配置信息初始化成功后，使用配置信息去干活.....線程B執行的操作如下：

while(!initialized)
{
    sleep();
}

//使用配置信息干活
doSomethingWithConfig();

 

如果initialized變量不用 volatile 修飾，在線程A執行的代碼中就有可能指令重排序。

即：線程A執行的代碼中的最后一行：initialized = true 重排序到了 processConfig方法調用的前面執行了，這就意味着：配置信息還未成功初始化，但是initialized變量已經被設置成true了。那么就導致 線程B的while循環“提前”跳出，拿着一個還未成功初始化的配置信息去干活(doSomethingWithConfig方法)。。。。

因此，initialized 變量就必須得用 volatile修飾。這樣，就不會發生指令重排序，也即：只有當配置信息被線程A成功初始化之后，initialized 變量才會初始化為true。綜上，volatile 修飾的變量會禁止指令重排序（有序性）

 

三，volatile 與 synchronized 的比較

volatile主要用在多個線程感知實例變量被更改了場合，從而使得各個線程獲得最新的值。它強制線程每次從主內存中講到變量，而不是從線程的私有內存中讀取變量，從而保證了數據的可見性。

關於synchronized，可參考：JAVA多線程之Synchronized關鍵字--對象鎖的特點

比較：

①volatile輕量級，只能修飾變量。synchronized重量級，還可修飾方法

②volatile只能保證數據的可見性，不能用來同步，因為多個線程並發訪問volatile修飾的變量不會阻塞。

synchronized不僅保證可見性，而且還保證原子性，因為，只有獲得了鎖的線程才能進入臨界區，從而保證臨界區中的所有語句都全部執行。多個線程爭搶synchronized鎖對象時，會出現阻塞。

 

四，線程安全性

線程安全性包括兩個方面，①可見性。②原子性。

從上面自增的例子中可以看出：僅僅使用volatile並不能保證線程安全性。而synchronized則可實現線程的安全性。

 

關於Synchronized底層實現原理，參考：https://blog.csdn.net/javazejian/article/details/72828483

參考：JAVA多線程之線程間的通信方式

JAVA多線程之當一個線程在執行死循環時會影響另外一個線程嗎？

JAVA多線程之wait/notify