Java線程之線程同步synchronized和volatile詳解

上篇通過一個簡單的例子說明了線程安全與不安全，在例子中不安全的情況下輸出的結果恰好是逐個遞增的(其實是巧合，多運行幾次，會產生不同的輸出結果)，為什么會產生這樣的結果呢，因為建立的Count對象是線程共享的，一個線程改變了其成員變量num值，下一個線程正巧讀到了修改后的num，所以會遞增輸出。

要說明線程同步問題首先要說明Java線程的兩個特性，可見性和有序性。多個線程之間是不能直接傳遞數據交互的，它們之間的交互只能通過共享變量來實現。拿上篇博文中的例子來說明，在多個線程之間共享了Count類的一個對象，這個對象是被創建在主內存(堆內存)中，每個線程都有自己的工作內存(線程棧)，工作內存存儲了主內存Count對象的一個副本，當線程操作Count對象時，首先從主內存復制Count對象到工作內存中，然后執行代碼count.count()，改變了num值，最后用工作內存Count刷新主內存Count。當一個對象在多個內存中都存在副本時，如果一個內存修改了共享變量，其它線程也應該能夠看到被修改后的值，此為可見性。多個線程執行時，CPU對線程的調度是隨機的，我們不知道當前程序被執行到哪步就切換到了下一個線程，一個最經典的例子就是銀行匯款問題，一個銀行賬戶存款100，這時一個人從該賬戶取10元，同時另一個人向該賬戶匯10元，那么余額應該還是100。那么此時可能發生這種情況，A線程負責取款，B線程負責匯款，A從主內存讀到100，B從主內存讀到100，A執行減10操作，并將數據刷新到主內存，這時主內存數據100-10=90，而B內存執行加10操作，并將數據刷新到主內存，最后主內存數據100+10=110，顯然這是一個嚴重的問題，我們要保證A線程和B線程有序執行，先取款后匯款或者先匯款后取款，此為有序性。本文講述了JDK5.0之前傳統線程的同步方式，更高級的同步方式可參見Java線程之鎖對象Lock-同步問題更完美的處理方式代碼實例。

下面同樣用代碼來展示一下線程同步問題。

TraditionalThreadSynchronized.java：創建兩個線程，執行同一個對象的輸出方法。

public class TraditionalThreadSynchronized {
	public static void main(String[] args) {
		final Outputter output = new Outputter();
		new Thread() {
			public void run() {
				output.output("zhangsan");
			}
		}.start();		
		new Thread() {
			public void run() {
				output.output("lisi");
			}
		}.start();
	}
}
class Outputter {
	public void output(String name) {
		// TODO 為了保證對name的輸出不是一個原子操作，這里逐個輸出name的每個字符
		for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
			System.out.print(name.charAt(i));
			// Thread.sleep(10);
		}
	}
}

運行結果：

zhlainsigsan 

顯然輸出的字符串被打亂了，我們期望的輸出結果是zhangsanlisi，這就是線程同步問題，我們希望output方法被一個線程完整的執行完之后再切換到下一個線程，Java中使用synchronized保證一段代碼在多線程執行時是互斥的，有兩種用法：

1. 使用synchronized將需要互斥的代碼包含起來，并上一把鎖。

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

這把鎖必須是需要互斥的多個線程間的共享對象，像下面的代碼是沒有意義的。

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

每次進入output方法都會創建一個新的lock，這個鎖顯然每個線程都會創建，沒有意義。
2. 將synchronized加在需要互斥的方法上。

public synchronized void output(String name) { 
 // TODO 線程輸出方法 
 for(int i = 0; i < name.length(); i++) { 
  System.out.print(name.charAt(i)); 
 } 
} 

這種方式就相當于用this鎖住整個方法內的代碼塊，如果用synchronized加在靜態方法上，就相當于用××××.class鎖住整個方法內的代碼塊。使用synchronized在某些情況下會造成死鎖，死鎖問題以后會說明。使用synchronized修飾的方法或者代碼塊可以看成是一個原子操作。

每個鎖對象(JLS中叫monitor)都有兩個隊列，一個是就緒隊列，一個是阻塞隊列，就緒隊列存儲了將要獲得鎖的線程，阻塞隊列存儲了被阻塞的線程，當一個線程被喚醒(notify)后，才會進入到就緒隊列，等待CPU的調度，反之，當一個線程被wait后，就會進入阻塞隊列，等待下一次被喚醒，這個涉及到線程間的通信，下一篇博文會說明。看我們的例子，當第一個線程執行輸出方法時，獲得同步鎖，執行輸出方法，恰好此時第二個線程也要執行輸出方法，但發現同步鎖沒有被釋放，第二個線程就會進入就緒隊列，等待鎖被釋放。一個線程執行互斥代碼過程如下：

1. 獲得同步鎖；
2. 清空工作內存；
3. 從主內存拷貝對象副本到工作內存；
4. 執行代碼(計算或者輸出等)；
5. 刷新主內存數據；
6. 釋放同步鎖。

所以，synchronized既保證了多線程的并發有序性，又保證了多線程的內存可見性。

volatile是第二種Java多線程同步的機制，根據JLS(Java LanguageSpecifications)的說法，一個變量可以被volatile修飾，在這種情況下內存模型(主內存和線程工作內存)確保所有線程可以看到一致的變量值，來看一段代碼：

class Test { 
 static int i = 0, j = 0; 
 static void one() { 
  i++; 
  j++; 
 } 
 static void two() { 
  System.out.println("i=" + i + " j=" + j); 
 } 
} 

一些線程執行one方法，另一些線程執行two方法，two方法有可能打印出j比i大的值，按照之前分析的線程執行過程分析一下：

1. 將變量i從主內存拷貝到工作內存；
2. 改變i的值；
3. 刷新主內存數據；
4. 將變量j從主內存拷貝到工作內存；
5. 改變j的值；
6. 刷新主內存數據；

這個時候執行two方法的線程先讀取了主存i原來的值又讀取了j改變后的值，這就導致了程序的輸出不是我們預期的結果，要阻止這種不合理的行為的一種方式是在one方法和two方法前面加上synchronized修飾符：

class Test { 
 static int i = 0, j = 0; 
 static synchronized void one() { 
  i++; 
  j++; 
 } 
 static synchronized void two() { 
  System.out.println("i=" + i + " j=" + j); 
 } 
} 

根據前面的分析，我們可以知道，這時one方法和two方法再也不會并發的執行了，i和j的值在主內存中會一直保持一致，并且two方法輸出的也是一致的。另一種同步的機制是在共享變量之前加上volatile：

class Test { 
 static volatile int i = 0, j = 0; 
 static void one() { 
  i++; 
  j++; 
 } 
 static void two() { 
  System.out.println("i=" + i + " j=" + j); 
 } 
} 

one方法和two方法還會并發的去執行，但是加上volatile可以將共享變量i和j的改變直接響應到主內存中，這樣保證了主內存中i和j的值一致性，然而在執行two方法時，在two方法獲取到i的值和獲取到j的值中間的這段時間，one方法也許被執行了好多次，導致j的值會大于i的值。所以volatile可以保證內存可見性，不能保證并發有序性。

沒有明白JLS中為什么使用兩個變量來闡述volatile的工作原理，這樣不是很好理解。volatile是一種弱的同步手段，相對于synchronized來說，某些情況下使用，可能效率更高，因為它不是阻塞的，尤其是讀操作時，加與不加貌似沒有影響，處理寫操作的時候，可能消耗的性能更多些。但是volatile和synchronized性能的比較，我也說不太準，多線程本身就是比較玄的東西，依賴于CPU時間分片的調度，JVM更玄，還沒有研究過虛擬機，從頂層往底層看往往是比較難看透的。在JDK5.0之前，如果沒有參透volatile的使用場景，還是不要使用了，盡量用synchronized來處理同步問題，線程阻塞這玩意簡單粗暴。另外volatile和final不能同時修飾一個字段，可以想想為什么。

總結

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