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java多線程編程必備volatile與synchronized深入理解

更新時(shí)間：2023年04月12日 10:02:22 作者：玄明Hanko

這篇文章主要介紹了java多線程編程必備volatile與synchronized的深入理解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪

Volatile概述

Volatile是Java中的一種輕量級(jí)同步機(jī)制，用于保證變量的可見性和禁止指令重排。當(dāng)一個(gè)變量被聲明為Volatile類型時(shí)，任何修改該變量的操作都會(huì)立即被所有線程看到。也就是說，Volatile修飾的變量在每次修改時(shí)都會(huì)強(qiáng)制將修改刷新到主內(nèi)存中，具有很好的可見性和線程安全性。

上圖可以看到在多線程編程中，線程沒有直接操作主內(nèi)存，而是把主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)拷貝到工作內(nèi)存中也就是共享變量副本的方式操作變量。當(dāng)一個(gè)變量被多個(gè)線程共享時(shí)，如果其中一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，另一個(gè)線程在讀取這個(gè)變量時(shí)可能會(huì)得到過期的值。這是因?yàn)榫€程之間存在緩存不一致的問題。

使用 volatile 關(guān)鍵字可以解決這個(gè)問題。volatile 保證了對(duì)該變量的訪問都是直接針對(duì)主內(nèi)存中的變量進(jìn)行的，而不是訪問線程本地的緩存。因此，當(dāng)一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看到這個(gè)變化，避免了緩存不一致的問題。

具體實(shí)現(xiàn)原理是，在使用 volatile 關(guān)鍵字修飾的變量進(jìn)行讀寫操作時(shí)，會(huì)禁止 CPU 的緩存優(yōu)化，每次操作都要直接讀寫主內(nèi)存。同時(shí)，在進(jìn)行讀操作時(shí)，也會(huì)強(qiáng)制從主內(nèi)存中讀取最新的值，而不是使用線程本地的緩存。這樣就可以保證多線程之間的變量訪問是同步、可見的。

Synchronized概述

Synchronized是Java中的一種重量級(jí)同步機(jī)制，用于保證線程安全和排除數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)一個(gè)方法被聲明為Synchronized時(shí)，同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問該方法，其他線程必須等待。這樣可以避免多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致的問題。

Volatile與Synchronized的區(qū)別

（1）Volatile是一種輕量級(jí)的同步機(jī)制，Synchronized是一種重量級(jí)的同步機(jī)制。

（2）Volatile用于保證變量的可見性和禁止指令重排，Synchronized用于排除數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和保證線程安全。

（3）Volatile不能保證變量的原子性，Synchronized可以保證同步代碼塊的原子性。

（4）Volatile的性能遠(yuǎn)高于Synchronized，但只適用于變量的情況，而Synchronized則適用于任意類型的對(duì)象或代碼塊。

（5）volatile修飾變量，僅用于變量級(jí)（不會(huì)造成線程阻塞），線程讀寫時(shí)均刷新內(nèi)存，只保證可見性。volatile還可以禁止指令重排。

（6）synchronized鎖變量或代碼段，鎖級(jí)（會(huì)造成線程阻塞），能保證可見性與原子性

使用場(chǎng)景

1 Volatile的使用場(chǎng)景

由于Volatile的可見性和禁止指令重排的特點(diǎn)，其在一些特定的場(chǎng)景下非常有用，例如：

（1）用于控制線程的開關(guān)、狀態(tài)標(biāo)志、計(jì)數(shù)器等變量；

（2）用于發(fā)布一些不變的對(duì)象，例如單例模式中的實(shí)例；

（3）用于性能調(diào)優(yōu)，避免鎖競(jìng)爭(zhēng)，例如CAS算法等。

以下是使用Java編寫一個(gè)演示volatile關(guān)鍵字的簡單示例：

    public class VolatileDemo {
        private volatile boolean isRunning = true;
        public void start() {
            System.out.println("Starting the thread...");
            new Thread(() -> {
                while (isRunning) {
                    // do some work here
                }
                System.out.println("Thread stopped.");
            }).start();
        }
        public void stop() {
            System.out.println("Stopping the thread...");
            isRunning = false;
        }
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
            demo.start();
            // wait for 3 seconds
            Thread.sleep(3000);
            demo.stop();
        }
    }

在上述示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)名為VolatileDemo的類，并聲明了一個(gè)volatile變量isRunning。此變量用于指示線程是否應(yīng)該繼續(xù)運(yùn)行。在start()方法中，我們啟動(dòng)了一個(gè)新線程，并在while循環(huán)中檢查isRunning變量的值。由于isRunning變量是volatile類型的，因此在不同的線程之間更改它的值時(shí)，該值將始終保持同步。在stop()方法中，我們將isRunning變量的值設(shè)置為false，以便使線程停止運(yùn)行。在main()方法中，我們創(chuàng)建了一個(gè)VolatileDemo對(duì)象并調(diào)用start()方法來開始線程的執(zhí)行。然后，我們等待3秒鐘，隨后調(diào)用stop()方法來停止線程的執(zhí)行。由于isRunning變量是volatile類型的，因此線程能夠及時(shí)地檢測(cè)到isRunning變量的更改，從而停止線程的執(zhí)行。

2 Synchronized的使用場(chǎng)景

Synchronized機(jī)制由于其強(qiáng)制性的同步性，在保證線程安全和數(shù)據(jù)完整性的同時(shí)，也會(huì)帶來一些性能上的開銷。因此，在使用Synchronized時(shí)需要控制同步的范圍和頻率，適當(dāng)使用Synchronized可以提高程序的效率和可靠性。使用Synchronized的場(chǎng)景包括：

（1）對(duì)共享變量的訪問和修改，例如在多線程情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理；

（2）對(duì)類實(shí)例化的構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行同步，確保實(shí)例化過程中的線程安全；

（3）對(duì)靜態(tài)變量和方法的訪問和修改，例如在多線程情況下對(duì)靜態(tài)變量進(jìn)行同步。

以下是使用Java編寫一個(gè)演示synchronized關(guān)鍵字的簡單示例：

public class SynchronizedDemo {
    private int counter = 0;
    public synchronized void increment() {
        counter++;
    }
    public synchronized int getCounter() {
        return counter;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedDemo demo = new SynchronizedDemo();
        // create multiple threads to increment counter
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    demo.increment();
                }
            }).start();
        }
        // wait for all threads to finish
        Thread.sleep(5000);
        // print the final value of counter
        System.out.println("Final value of counter: " + demo.getCounter());
    }
}

在上述示例中，我們創(chuàng)建了一個(gè)名為SynchronizedDemo的類，并聲明了一個(gè)私有變量counter。我們?cè)趇ncrement()方法和getCounter()方法上加了synchronized關(guān)鍵字來確保每次只有一個(gè)線程可以訪問這些方法。

在main()方法中，我們創(chuàng)建了10個(gè)線程來并發(fā)地執(zhí)行increment()方法，每個(gè)線程將計(jì)數(shù)器增加1000次。由于increment()方法是同步的，因此在任何時(shí)候都只有一個(gè)線程可以訪問它，從而避免了數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和不一致性。

最后，我們等待所有線程完成后打印計(jì)數(shù)器的最終值。由于getCounter()方法也是同步的，所以它返回的值將始終是最新的和正確的。