并发编程学习（2）----volatile与synchronized

　　这次文章主要探讨volatile与synchronized，经过一些基础概念的介绍，让读者对于二者有更深的了解。

1、几个相关概念

一、原子性

　　其本意是“不能被进一步分隔的最小粒子”，而原子操做意为“不可被中断的一个或一系列操做”。在多处理器重实现原子操做变得有点复杂。

1）操做系统如何实现原子性。

　　单处理器能够对同一个缓存行里自动进行16/32/64位的原子操做。可是复杂的内存操做处理器是不能保证其原子性的，好比跨总线宽度、跨多个缓存行和跨页表的访问。例如，i++是一个读改写的操做，因为该代码可能被不一样的线程执行致使最终出现的结果可能不是咱们想要的结果（具体缘由不在此赘述）。可是，处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内存操做的原子性。

a。使用总线锁保证原子性

　　处理器经过使用总线锁来解决i++问题。所谓总线锁就是使用处理器提供的一个LOCK#信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其余处理器的请求将被阻塞，此时该处理器能够独占共享内存。

b。使用缓存锁来保证原子性

　　总线锁把CPU与内存间的通讯锁住了，这使得在锁按期间，其它处理器不能操做其它内存地址的数据，因此总线锁开销比较大。咱们只须要保证对某个内存地址的操做是原子性便可（减少锁粒度）。目前处理器在某些场合下回使用缓存锁定来代替总线锁来进行优化。

二、可见性

　　可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。

三、指令重排

　　重排序指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行从新排序的一种手段。在多线程的程序中，对某些指令的重排序可能会改变程序的执行结果（后续会有实例说明）。

2、volatile

一、volatile变量具备如下特性。

　　可见性：对一个volatile变量的读，老是能看到任意线程对这个volatile变量最后的写入、

　　禁止重排序：jdk1.5之后对volatile语义进行了增强，不容许volatile变量之间进行重排序。

二、底层实现原理

1）操做系统层面

　　操做系统可经过LOCK#前缀指令实现以上前两个特性。为了提升处理速度，处理器不直接和内存进行通讯，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L一、L2或其它）后再进行操做，但操做完不知道什么时候写回到内存（操做系统这里其实使用了异步操做来解决生产消费速度不均的问题）。若是申明了volatile的变量进行写操做，JVM就会想处理器发送一条Lock前缀指令，将这个变量的缓存行的数据写回到内存中。此时，其它处理器中的值仍是旧值。在多处理器下，为了保证各个处理器缓存一致，实现了缓存一致性协议。每一个处理器经过嗅探在总线上传播的数据来检查本身缓存的值是否是过时了，当处理器发现本身缓存行过时时，就会将当前处理器的缓存行置为无效状态，当处理器对这个数据进行修改时，会从新从操做系统内存中把数据读取处处理器缓存中。

　　a。Lock前缀指令会引发处理器缓存回写到内存。

　　Lock前缀指令致使在执行指令期间，声言处理器的Lock信号。在多处理器环境下，处理器能够独占任何共享内存。操做系统经过总线锁或者缓存锁定，来确保同时只能有一个处理器可修改缓存数据。

　　b。一个处理器的缓存会写到内存致使其它处理器的缓存无效。

2）JMM层面。

　　在Java中，全部实例域、静态域和数组元素都存储在堆内存中，堆内存在线程之间共享。局部变量，方法定义参数和异常处理参数不会在线程之间共享，它们不会有内存可见性问题。

　　从抽象的角度来看，JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系：线程之间的共享变量存储在主内存中，每一个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory），本地内存中存储了改线程共享变量的副本。本地内存是JMM的一个抽象概念，并不真实存在。JMM的抽象示意图以下所示。

　　当一个变量被申明为volatile时。

　　写入操做：JMM会把该线程对应的本地内存中的变量刷新到主存中。

　　读取操做：JMM会把本地内存置为无效，线程接下来会从主存中读取共享变量。

 

　　      

 

3）禁止重排序应用

　　在单例模式中，人们使用了双重校验来下降锁同步的开销，查看如下无volatile时的代码。

　　

　　以上是一个错误的优化，当线程执行到第4行时，代码读取到instance不为null，可是注意此时instance引用的对象还未初始化。缘由以下。

　　instance = new Singleton()能够分解为以下3行伪代码。

　　　　memory = allocate();//1.分配对象的内存空间。

　　　　ctorInstance(memory);//2.初始化对象

　　　　instance = memory;// 3.设置instance指向刚刚分配的地址

　　步骤2和3因为指令重排，可能致使另外一个线程访问到未被初始化的对象。若是在instance变量前加上volatile便可解决此问题。

 3、synchronized

一、简单介绍

　　synchronized简单的理解就是对象锁，Java中的每个对象均可以做为锁。它主要能够确保代码一系列操做在同一线程只能由一个线程访问。

具体表现为一下3种形式。

　　对于普通同步方法，锁是当前实例对象。

　　对于静态同步方法，锁是当前的Class对象。

　　对于同步方法块，锁是synchronized括号里配置的对象。

二、原理介绍。

　　在Java中任意一个对象都拥有本身的监视器，当这个对象由同步块或者这个对象的同步方法调用时，执行方法的线程必须先获取到该对象的监视器才能进入到同步块或者同步方法中，而没有获取到监视器的线程将会被阻塞在同步块或者同步方法入口处，进入BLOCKED状态。当访问访问Object的前驱（得到了锁的线程）释放了锁，则会唤醒阻塞在同步队列中的线程，使其从新尝试对监视器获取。具体过程以下图。

　　       

 

4、synchronized和volatile比较

一、原理分析

　　从原理上分析，volatile是JMM借助操做系统底层指令实现的关键字。当变量被它修饰时，它能够保证对于该变量的访问都须要从共享内存中获取，而每次修改则必须同步刷新回共享内存，它能保证全部线程对变量访问的可见性。synchronized是JVM层面的，它借助Java对象的monitor实现的，同一时刻只能有一个线程进入监视器，它能够保证程序对于变量访问的可见性和排它性。

　　为了实现线程间的同步，二者都是经过总线锁/内存锁定、monitor这样的方式，即线程在同一时刻只能访问对应的内存区域，这样就避免了多个线程同时写入内存致使结果没法预知的状况。

二、特性对比

1）volatile

　　a.可见性：可保证变量在内存中的能够性。

　　b.多数状况下相对synchronized具备较高的性能

　　c.有序性：在某些状况下能够防止指令重排（经典案例为单例双重校验）

2）synchronized

　　a.性能相对较差，可是1.6之后性能有所提高。

　　b.有序性，被加锁的代码块同一时刻只能有一个线程访问程序，保证程序有序执行

5、总结思考

1）为了解决多线程间的同步问题核心思想：经过限定同一时刻仅有一个线程有写入。

2）操做系统经过减少锁的粒度提高性能。