从Java内存模型理解synchronized、volatile和final关键字

港控/mmm° 2022-07-08 13:59 223阅读 0赞

你是否真正理解并会用volatile, synchronized, final进行线程间通信吗，如果你不能回答下面的几个问题，那就说明你并没有真正的理解：

1、对volatile变量的操作一定具有原子性吗？（原子操作是不需要synchronized来保护的，所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作，这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何线程切换）

2、synchronized所谓的加锁，锁住的是什么？

3、final定义的变量不变的到底是什么？

## 1、Java内存模型 ##

看Java内存模型之前，我们先来了解什么是内存模型？

在多处理器系统中，处理器通常有多级缓存，因为这些缓存离处理器更近并且可以存储一部分数据，所以缓存可以改善处理器获取数据的速度和减少对共享内 存数据总线的占用。缓存虽然能极大的提高性能，但是同时也带来了诸多挑战。例如，当两个处理器同时操作同一个内存地址的时候，该如何处理？这两个处理器在 什么条件下才能看到相同的值？

对于处理器而言，一个内存模型就是定义一些充分必要的规范，这些规范使得其他处理器对内存的写操作对当前处理器可见，或者当前处理器的写操作对其他处理器可见。

**        其他处理器对内存的写一定发生在当前处理器对同一内存的读之前，称之为其他处理器对内存的写对当前处理器可见。**

知道了内存模型，那么应该可以更好的理解java内存模型。简单的讲，java内存模型指的就是一套规范，现在最新的规范为JSR-133。这套规范包含：

1、线程之间如何通过内存通信；

2、线程之间通过什么方式通信才合法，才能得到期望的结果。

我们已经知道 java 内存模型就是一套规范，那么在这套规范中，规定的内存结构是什么样的呢？java内存模型中的内存结构如下图所示：

![20170305102153664][]

简单的讲，**Java 内存模型将内存分为共享内存和本地内存。共享内存又称为堆内存，指的就是线程之间共享的内存，包含所有的实例域、静态域和数组元素。每个线程都有一个私有的，只对自己可见的内存，称之为本地内存**。

**共享内存中共享变量虽然由所有的线程共享，但是为了提高效率，线程并不直接使用这些变量，每个线程都会在自己的本地内存中存储一个共享内存的副本，使用这个副本参与运算。由于这个副本的参与，导致了线程之间对共享内存的读写存在可见性问题**。

## 2、并发编程三大特性 ##

在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题： ** 原子性问题 ** ， ** 可见性问题 ** 和 ** 有序性问题 ** 。

**        原子性： 即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。**

举个最简单的例子，大家想一下，假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话，会发生什么后果？

int i = 9;

假若一个线程执行到这个语句时，我们暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程：为低16位赋值，为高16位赋值。那么就可能发生一种情况：当将低16位数值写入之后，突然被中断，而此时又有一个线程去读取 i 的值，那么读取到的就是错误的数据，导致** 数据不一致性 **问题。

**       可见性：是指当多个线程访问同一个共享变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。**

举个简单的例子：

//线程1执行的代码
    int i = 1;
    i = 100;
    
    
    //线程2执行的代码
    int j = i;

假若执行线程1的是CPU的第1个核，执行线程2的是CPU的第2个核。由上面的分析可知，当 线程1执行i=100这句时，会先把i的初始值加载到核1的高速缓存中，然后赋值为100，那么在核1的高速缓存当中i的值变为100了，却没有立即写入到主存当中。此时，核2执行j=i，它会先去主存读取i的值并加载到核2的缓存当中，注意此时内存当中i 的值还是1，那么就会使得j的值为1，而不是100。

这就是可见性问题，线程1 对变量 i 修改了之后，线程2 没有立即看到 线程1 修改后的值。

**       有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。**举个简单的例子：

int i = 0;              
    Long temp = 0.1L;
    i = 1;                //语句1  
    temp = 0.2L;          //语句2

上面代码定义了一个 int型变量，定义了一个Long型变量，然后分别对两个变量进行赋值操作。从写的代码顺序上看，语句1 是在语句2前面的，但是JVM 在真正执行这段代码的时候并不会保证语句1一定会在语句2 前面执行，这里可能会发生 指令重排序（Instruction Reorder）。

下面解释一下什么是指令重排序，一般来说，**处理器为了提高程序运行效率，可能会对输入代码进行优化，它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致，但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的（单线程情形下）。**

虽然**重排序不会影响单个线程内程序执行的结果**，但是多线程就会。

//线程1:
    boolean finished = false;
    int temp = 0;
    ....
    temp = 1;  					 //语句1
    finished = true;             //语句2
    
    
    //线程2:
    while(!finished ){
      sleep()
    }
    add(temp, 10);

上面代码中，由于语句1和语句2没有数据依赖性，因此可能会被重排序。假如发生了重排序，在线程1执行过程中先执行语句2，而此时线程2会以为工作已经完成，那么就会跳出 while循环 ，去执行add(temp, 10)方法，就会导致程序出错。由此可以看出，**指令重排序不会影响单个线程的执行，但是会影响到线程并发执行的正确性。也就是说，要想使并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。**

**那么基于Java的内存模型怎样实现以上三大并发特性呢？**

对于原子性，**在 Java 中，对基本数据类型的变量的读取 和 赋值 操作是原子性操作，即这些操作是不可被中断的： 要么执行，要么不执行。也就是说****Java内存模型只保证了基本类型数据的读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过 synchronized 和 Lock 来实现。**由于 synchronized 和 Lock 能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

对于可见性，**Java 提供了 volatile关键字 来保证可见性。**当一个共享变量被 volatile 修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时，它会去内存中读取新值。而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。另外，通过 synchronized 和 Lock 也能够保证可见性，synchronized 和 Lock 能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且 在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中，因此可以保证可见性。

对于有序性。Java内存模型允许编译器和处理器对指令进行重排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。在 Java 中，可以通过 volatile 关键字来保证一定的“有序性”。另外，我们千万不能想当然地认为，可以通过synchronized 和 Lock 来保证有序性，也就是说，不能由于 synchronized 和 Lock 可以让线程串行执行同步代码，就说它们可以保证指令不会发生重排序，这根本不是一个粒度的问题。

为了方便线程之间的通信，java 提供了 volatile, synchronized, final 三个关键字供我们使用，下面我们来看看如何使用它们进行线程间通信。

## 3、volatile关键字 ##

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被 volatile 修饰后，那么就具备了两层语义：

**1）保证了不同线程对共享变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这个新值对其他线程来说是 立即可见 的；**

**2）禁止进行指令重排序；**

**        一个线程对 volatile 变量的读一定能看见在它之前最后一个线程对这个变量的写。**

为了实现这些语义，Java 规定，（1）当一个线程要使用共享内存中的 volatile 变量时，如图中的变量a，它会直接从主内存中读取，而不使用自己本地内存中的副本。（2）当一个线程对一个 volatile 变量进行写时，它会将这个共享变量的值刷新到共享内存中。

我们可以看到，其实 volatile 变量保证的是一个线程对它的写会立即刷新到主内存中，并置其它线程的副本为无效，但它并不保证对 volatile 变量的操作都是具有原子性的。

public void add(){
         a++;         #1
     }

等价于

public void add() {   
        temp = a;        
        temp = temp +1;  
        a = temp;         
     }

代码1并不是一个原子操作，所以类似于 a++ 这样的操作会导致并发数据问题。

volatile 变量的写被保证是可以被之后其他线程的读看到的，因此我们可以利用它进行线程间的通信。如：

volatile int a;
    public void set(int b) {
        a = b; 
    }
    public void get() {    
        int i = a; 
    }

线程A执行set()后，线程B执行get()，相当于线程A向线程B发送了消息。

## 4、synchronized ##

如果我们非要使用 a++ 这种复合操作进行线程间通信呢？java 为我们提供了synchronized。

public synchronized void add() {
        a++; 
     }

synchronized 使得它作用范围内的代码对于不同线程是互斥的，并且线程在**释放锁的时候会将共享变量的值刷新到主内存**中。

我们可以利用这种互斥性来进行线程间通信。看下面的代码：

public synchronized void add() {
        a++; 
    }
    public synchronized void get() {  
        int i = a; 
    }

当线程A执行 add()，线程B调用get()，由于互斥性，线程A执行完add()后，线程B才能开始执行get()，并且线程A执行完add()，释放锁的时候，会将a的值刷新到共享内存中。因此线程B拿到的a的值是线程A更新之后的。

## 5、volatile和synchronized的比较 ##

根据以上的分析，我们可以发现volatile和synchronized有些相似。

1、当线程对 volatile变量写时，java 会把值刷新到共享内存中；而对于synchronized，指的是当线程释放锁的时候，会将共享变量的值刷新到主内存中。

2、线程读取volatile变量时，会将本地内存中的共享变量置为无效；对于synchronized来说，当线程获取锁时，会将当前线程本地内存中的共享变量置为无效。

3、synchronized 扩大了可见影响的范围，扩大到了synchronized作用的代码块。

**        关键字volatile 与内存模型紧密相关，是线程同步的轻量级实现，**其性能要比 synchronized关键字 好。**在作用对象和作用范围上，****volatile 用于修饰变量，而 synchronized关键字 用于修饰方法和代码块，而且 synchronized 语义范围不但包括 volatile拥有的可见性，还包括volatile 所不具有的原子性，但不包括 volatile 拥有的有序性，即允许指令重排序。**因此，在多线程环境下，volatile关键字 主要用于及时感知共享变量的修改，并保证其他线程可以及时得到变量的最新值。

## 6、final变量 ##

final关键字可以修饰变量、方法和类，我们这里只讨论final修饰的变量。final变量的特殊之处在于：

**        final 变量一经初始化，就不能改变其值。**

这里的**值对于一个对象或者数组来说指的是这个对象或者数组的引用地址**。因此，一个线程定义了一个final变量之后，其他任意线程都可以拿到这个变量。但有一点需要注意的是，当这个final变量为对象或者数组时，

1、虽然我们**不能将这个变量赋值为其他对象或者数组的引用地址**，但是我们**可以改变对象的域或者数组中的元素**。

2、线程对这个对象变量的域或者数据的元素的改变不具有线程可见性。

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