java Volatile與Synchronized的區(qū)別
引言
在研究并發(fā)程序時,我們可能都知道volatile和synchronized是用于多線程中,用于線程安全和變量可見性的,但是具體兩者怎么使用,有何區(qū)別可能還是稀里糊涂一知半解,在此就自己簡單的理解總結(jié)一下二者的區(qū)別,和大家一塊兒學(xué)習(xí)!我們需要了解java中關(guān)鍵字volatile和synchronized關(guān)鍵字的使用以及l(fā)ock類的用法。
首先,了解下java的內(nèi)存模型:
java的線程內(nèi)存模型中定義了每個線程都有一份自己的共享變量副本(本地內(nèi)存),里面存放自己私有的數(shù)據(jù),其他線程不能直接訪問,而一些共享變量則存在主內(nèi)存中,供所有線程訪問。
上圖中,如果線程A和線程B要進(jìn)行通信,就要經(jīng)過主內(nèi)存,比如線程B要獲取線程A修改后的共享變量的值,要經(jīng)過下面兩步:
(1)、線程A修改自己的共享變量副本,并刷新到了主內(nèi)存中。
(2)、線程B讀取主內(nèi)存中被A更新過的共享變量的值,同步到自己的共享變量副本中。
總結(jié):在java內(nèi)存模型中,共享變量存放在主內(nèi)存中,每個線程都有自己的本地內(nèi)存,當(dāng)多個線程同時訪問一個數(shù)據(jù)的時候,可能本地內(nèi)存沒有及時刷新到主內(nèi)存,所以就會發(fā)生線程安全問題。
java多線程中的三個特性:
- 原子性:即一個操作或者多個操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷,要么就都不執(zhí)行。一個很經(jīng)典的例子就是銀行賬戶轉(zhuǎn)賬問題:比如從賬戶A向賬戶B轉(zhuǎn)1000元,那么必然包括2個操作:從賬戶A減去1000元,往賬戶B加上1000元。這2個操作必須要具備原子性才能保證不出現(xiàn)一些意外的問題。
- 可見性:當(dāng)多個線程訪問同一個變量時,一個線程修改了這個變量的值,其他線程能夠立即看得到修改的值。
- 有序性:就是程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。一般來說處理器為了提高程序運行效率,可能會對輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化,它不保證程序中各個語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致,但是它會保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。如下:
int a = 20; //語句1 int r = 3; //語句2 a = a + 5; //語句3 r = a*a; //語句4
因為重排序,他的執(zhí)行順序還可能為 2 -1 - 3 - 4,1 - 3 - 2 - 4。但絕不可能 2 -1 - 4 - 3,因為這打破了依賴關(guān)系。顯然重排序?qū)尉€程運行是不會有任何問題,而多線程就不一定了,所以我們在多線程編程時就得考慮這個問題了。
Volatile關(guān)鍵字的作用:
其實volatile關(guān)鍵字的作用就是保證了可見性和有序性(不保證原子性),如果一個共享變量被volatile關(guān)鍵字修飾,那么如果一個線程修改了這個共享變量后,其他線程是立馬可知的。如果線程A修改了自己的共享變量副本,這時如果該共享變量沒有被volatile修飾,那么本次修改不一定會馬上將修改結(jié)果刷新到主存中,如果此時B去主存中讀取共享變量的值,那么這個值就是沒有被A修改之前的值。如果該共享變量被volatile修飾了,那么本次修改結(jié)果會強(qiáng)制立刻刷新到主存中,如果此時B去主存中讀取共享變量的值,那么這個值就是被A修改之后的值了。
volatile禁止指令重排序優(yōu)化,在指令重排序優(yōu)化時,在volatile變量之前的指令不能在volatile之后執(zhí)行,在volatile之后的指令也不能在volatile之前執(zhí)行,所以它保證了有序性。
volatile 的讀性能消耗與普通變量幾乎相同,但是寫操作稍慢,因為它需要在本地代碼中插入許多內(nèi)存屏障指令(是一種CPU指令,用于控制特定條件下的重排序和內(nèi)存可見性問題。Java編譯器也會根據(jù)內(nèi)存屏障的規(guī)則禁止重排序。)來保證處理器不發(fā)生亂序執(zhí)行。
Synchronized關(guān)鍵字的作用:
synchronized提供了同步鎖的概念,被synchronized修飾的代碼段可以防止被多個線程同時執(zhí)行,必須一個線程把synchronized修飾的代碼段都執(zhí)行完畢了,其他的線程才能開始執(zhí)行這段代碼。 因為synchronized保證了在同一時刻,只能有一個線程執(zhí)行同步代碼塊,所以執(zhí)行同步代碼塊的時候相當(dāng)于是單線程操作了,那么線程的可見性、原子性、有序性(線程之間的執(zhí)行順序)它都能保證了。synchronized并沒有禁止重排序,但是synchronized相當(dāng)于是一個單線程了,所以有沒有重排序?qū)Τ绦蚨际菦]有影響的。
Volatile和synchronized的區(qū)別:
?。?)、volatile只能作用于變量,使用范圍較小。synchronized可以用在變量、方法、類、同步代碼塊等,使用范圍比較廣。
?。?)、volatile只能保證可見性和有序性,不能保證原子性。而可見性、有序性、原子性synchronized都可以包證。
?。?)、volatile不會造成線程阻塞。synchronized可能會造成線程阻塞。
?。?)、在性能方面synchronized關(guān)鍵字是防止多個線程同時執(zhí)行一段代碼,就會影響程序執(zhí)行效率,而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized。
什么是重排序:
重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對指令序列進(jìn)行重新排序的一種手段。但是重排序可以保證最終執(zhí)行的結(jié)果是與程序順序執(zhí)行的結(jié)果一致,并且只會對不存在數(shù)據(jù)依賴性的指令進(jìn)行重排序,這個重排序在單線程下對最終執(zhí)行結(jié)果是沒有影響的,但是在多線程下就會存在問題。
可以看一個例子:
class TestExample { int a = 0; boolean flag = false; // 寫入的線程 public void writer() { a = 1; // 1 flag = true; // 2 } //讀取的線程 public void reader() { if (flag) { // 3 int i = a * a; // 4 }}}
如上面代碼,如果兩個線程同時執(zhí)行在沒有發(fā)生重排序的時候int i =1,如果發(fā)生了重排序那么1,2的位置因為不存在數(shù)據(jù)依賴可以會發(fā)生位置的互換。那么這時候int i =0;當(dāng)然這個在單線程是沒有問題的。只有在多線程才會發(fā)生這種情況
volatile int a = 0; volatile boolean flag = false;
我們只需要加上volatile關(guān)鍵字也是可以避免這種問題的,volatile是禁止重排序的。
什么是數(shù)據(jù)依賴?
int a = 1;(1) int b = 2;(2) int c= a + b;(3)
這里面第三步就存在數(shù)據(jù)依賴 (依賴a和b的值)。編譯器和處理器在重排序時,會遵守數(shù)據(jù)依賴性,編譯器和處理器不會改變存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的兩個操作的執(zhí)行順序。所以這里面無論步驟(1)(2)有沒有發(fā)生重排序,步驟(3)都是在他們之后執(zhí)行。這里所說的數(shù)據(jù)依賴性僅針對單個處理器中執(zhí)行的指令序列和單個線程中執(zhí)行的操作,不同處理器之間和不同線程之間的數(shù)據(jù)依賴性不被編譯器和處理器考慮。
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