synchronized与volatile关键字

1.synchronized的特性

1.1互斥

synchronized 会起到互斥效果, 某个线程执行到某个对象的 synchronized 中时, 其他线程如果也执行到同一个对象 synchronized 就会阻塞等待.

进入 synchronized 修饰的代码块, 相当于加锁

退出 synchronized 修饰的代码块, 相当于解锁

synchronized用的锁是存在Java对象头里的。

可以粗略理解成, 每个对象在内存中存储的时候, 都存有一块内存表示当前的 "锁定" 状态(类似于厕所的 "有人/无人").

如果当前是 "无人" 状态, 那么就可以使用, 使用时需要设为 "有人" 状态.

如果当前是 "有人" 状态, 那么其他人无法使用, 只能排队

理解 "阻塞等待".

针对每一把锁, 操作系统内部都维护了一个等待队列. 当这个锁被某个线程占有的时候, 其他线程尝试进行加锁, 就加不上了, 就会阻塞等待, 一直等到之前的线程解锁之后, 由操作系统唤醒一个新的线程, 再来获取到这个锁.

注意:

上一个线程解锁之后, 下一个线程并不是立即就能获取到锁. 而是要靠操作系统来 "唤醒". 这也就是操作系统线程调度的一部分工作.

假设有 A B C 三个线程, 线程 A 先获取到锁, 然后 B 尝试获取锁, 然后 C 再尝试获取锁, 此时 B 和 C 都在阻塞队列中排队等待. 但是当 A 释放锁之后, 虽然 B 比 C 先来的, 但是 B 不一定就能获取到锁, 而是和 C 重新竞争, 并不遵守先来后到的规则.（非公平锁）

synchronized的底层是使用操作系统的mutex lock实现的.

1.2刷新内存

synchronized 的工作过程:

1. 获得互斥锁

2. 从主内存拷贝变量的最新副本到工作的内存

3. 执行代码

4. 将更改后的共享变量的值刷新到主内存

5. 释放互斥锁

所以sychronized也可以保证内存可见性

1.3可重入

synchronized 同步块对同一条线程来说是可重入的，不会出现自己把自己锁死的问题；

理解 "把自己锁死"

一个线程没有释放锁, 然后又尝试再次加锁.

按照之前对于锁的设定, 第二次加锁的时候, 就会阻塞等待. 直到第一次的锁被释放, 才能获取到第二个锁. 但是释放第一个锁也是由该线程来完成, 结果这个线程已经躺平了, 啥都不想干了, 也就无法进行解锁操作. 这时候就会死锁.

这样的锁称为不可重入锁

Java 中的 synchronized 是 可重入锁, 因此没有上面的问题.

代码示例

在下面的代码中, increase 和 increase2 两个方法都加了 synchronized, 此处的 synchronized 都是针对 this 当前对象加锁的.

在调用 increase2 的时候, 先加了一次锁, 执行到 increase 的时候, 又加了一次锁. (上个锁还没释放, 相当于连续加两次锁)

这个代码是完全没问题的. 因为 synchronized 是可重入锁

static class Counter {
    public int count = 0;

    synchronized void increase() {
        count++;
    }

    synchronized void increase2() {
        increase();
    }
}

在可重入锁的内部, 包含了 "线程持有者" 和 "计数器" 两个信息.

如果某个线程加锁的时候, 发现锁已经被人占用, 但是恰好占用的正是自己, 那么仍然可以继续获取到锁, 并让计数器自增.

解锁的时候计数器递减为0的时候, 才真正释放锁. (才能被别的线程获取到)

2.synchronized使用示例

synchronized 本质上要修改指定对象的 "对象头". 从使用角度来看, synchronized 也势必要搭配一个具体的对象来使用.

2.1直接修饰普通方法：

锁的SynchronizedDemo对象

public class SynchronizedDemo{
    public synchronized void method(){
    }
}

2.2修饰静态方法

锁的 SynchronizedDemo 类的对象

public class SynchronizedDemo{
    public synchronized static void method(){
    }
}

2.3修饰代码块

明确指定锁哪个对象

锁当前对象：

public class SynchronizedDemo{
    public synchronized void method(){
        synchronized(this){

        }
    }
}

锁类对象

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (SynchronizedDemo .class) {

        }
    }
}

我们要重点理解，synchronized锁的是什么，两个线程竞争同一把锁，才会产生阻塞等待

两个线程分别尝试获取两把不同的锁，不会产生竞争

3.Java 标准库中的线程安全类

Java 标准库中很多都是线程不安全的. 这些类可能会涉及到多线程修改共享数据, 又没有任何加锁措施.

ArrayList、LinkedList、HashMap、TreeMap、HashSet、TreeSet、StringBuilder

但是还有一些是线程安全的. 使用了一些锁机制来控制.

Vector (不推荐使用)、HashTable (不推荐使用)、 ConcurrentHashMap、 StringBuffer

StringBuffer 的核心方法都带有synchronized

还有的虽然没有加锁, 但是不涉及 "修改", 仍然是线程安全的（string）

4.volatile关键字

4.1volatile能保证内存可见性

volatile 修饰的变量, 能够保证 " 内存可见性".

代码在写入 volatile 修饰的变量的时候：

改变线程工作内存中volatile变量副本的值，将改变后的副本的值从工作内存刷新到主内存

代码在读取 volatile 修饰的变量的时候：

从主内存中读取volatile变量的最新值到线程的工作内存中，从工作内存中读取volatile变量的副本

前面我们讨论内存可见性时说了, 直接访问工作内存(实际是 CPU 的寄存器或者 CPU 的缓存), 速度非常快, 但是可能出现数据不一致的情况.

加上 volatile , 强制读写内存. 速度是慢了, 但是数据变的更准确了.

代码示例：

创建两个线程 t1 和 t2

t1 中包含一个循环, 这个循环以 flag == 0 为循环条件.、

t2 中从键盘读入一个整数, 并把这个整数赋值给 flag.

预期当用户输入非 0 的值的时候, t1 线程结束.

package thread;
import java.util.Scanner;
public class ThreadDemo9 {
        // 内存可见性
        private static int isQuit = 0;

        public static void main(String[] args) {
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                while (isQuit == 0) {
                 ;//do nothing
                }
                System.out.println("t1 执行结束. ");
            });

            Thread t2 = new Thread(() -> {
                Scanner scanner = new Scanner(System.in);
                System.out.println("请输入 isQuit 的值: ");
                isQuit = scanner.nextInt();
            });

            t1.start();
            t2.start();
        }
    }

执行效果：当用户输入非0值时，t1线程循环不会结束！（显然与预期不符）

程序在编译运行的时候，Java编译器和jvm可能会对代码做出一些“优化”

编译器优化本质上是靠代码，智能的对你写的代码进行分析判断，进行调整，这个调整在大多数情况都是没问题的，但是在多线程环境下有可能会出现差错！

isQuit==0 本质上是两个指令

1.load（读内存）读内存操作，速度非常慢

2.jcmp（比较并跳转）寄存器操作，速度非常快

此时，编译器就发现这个逻辑中代码要反复的快速读取同一个内存的值，并且这个内存的值读出来每次都相同，此时编译器把load操作优化掉了！后续都不再执行load，直接拿寄存器中的数据进行比较！

编译器没想到在另一个线程中把isQuit的值改了，这就是内存可见性问题！

volatile关键字可以弥补上述缺口，把volatile用来修饰一个变量之后，编译器就明白这个变量是“易变的”，就不会按照上述方式优化，就可以保证t1在循环过程中，始终都能读取内存中的数据

volatile本质上是保证变量的内存可见性（禁止该变量的读操作被优化到寄存器中）

如果给flag加上volatile

当用户输入非0值时，t1线程循环能够立即结束

4.2volatile不保证原子性

volatile 和 synchronized 有着本质的区别. synchronized 能够保证原子性, volatile 保证的是内存可见性

代码示例

这个是最初的演示线程安全的代码.

给 increase 方法去掉 synchronized

给 count 加上 volatile 关键字.

package thread;

public class ThreadDemo8 {

    static class Counter {
        public volatile int count = 0;

        void increase() {
            count++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final Counter counter = new Counter();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 50000; i++) {
                counter.increase();
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();

        System.out.println(counter.count);
    }
}

最终 count 的值仍然无法保证是 100000

1.synchronized 也能保证内存可见性

synchronized 既能保证原子性, 也能保证内存可见性.

对上面的代码进行调整:

掉 flag 的 volatile

给 t1 的循环内部加上 synchronized, 并借助 counter 对象加锁.

package thread;
import java.util.Scanner;
public class ThreadDemo9 {
        // 内存可见性
//        private volatile static int isQuit = 0;
         private  static int isQuit = 0;


    public static void main(String[] args) {
            Thread t1 = new Thread(() -> {
                while (isQuit == 0) {
                    synchronized (ThreadDemo9.class){
                        ;
                    }
                 
                }
                System.out.println("t1 执行结束. ");
            });

            Thread t2 = new Thread(() -> {
                Scanner scanner = new Scanner(System.in);
                System.out.println("请输入 isQuit 的值: ");
                isQuit = scanner.nextInt();
            });

            t1.start();
            t2.start();
        }
    }