线程安全之synchronized和volatile

news2024/12/23 23:30:51

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1.线程不安全的原因

2.synchronized和volatile

2.1 synchronized

2.1.1 synchornized的特性

2.1.2 synchronized使用示例

2.2 volatile


我们先来看一段代码:

分析以上代码,t1和t2这两个线程的任务都是分别将count这个变量自增5000次,最后由主线程将count的值输出。很显然,t1和t2这两个线程都对count这个变量自增5000次的话,那最终的count的值就是10000.我们运行于一下代码,看是否与预期相同:

为什么不是10000呢,这就与我们的线程安全有关了。

这段代码的逻辑很简单,但是忽略了线程的安全性问题。以上代码涉及到多个线程对同一个变量counter.count的修改.我们要知道对一个变量进行修改一般有三条指令:

  1. 变量从内存中读到某个寄存器上
  2. 对变量进行操作
  3. 将变量从寄存器读回到内存中

那么以上代码就可以用如下图来表示其运行时的某种状态:

因为操作系统的随机调度,导致t1线程可能刚把count=0读取到寄存器上还没开始修改写回时,t2线程就被操作系统安排上了cpu,导致读取到的数据也是count=0,最后当两个线程将其数据分别写回后,内存中count的值就为1.这也就是为什么那段代码的运行结果与预期不符.


1.线程不安全的原因

  • 操作系统的随机调度:这个是造成线程不安全的最根本原因,我们人为也不好去解决.
  • 多线程同时修改同一个变量:多个线程针对同一个线程进行修改,例如以上代码.
  • 修改操作不是原子性:所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作.以上代码t1和t2线程对变量的修改操作就不是原子的,例如t1线程还没有将数据修改完写回内存,t2线程就开始读取、修改。
  • 内存不可见:可见性是指一个线程对共享变量值修改后,其他线程能够从内存中去读取而不是从当前CPU的寄存器或高速缓存中读取。反之不可见就是内存中的数据可能已经被某个线程改了,但某些线程仍然在寄存器或高速缓存中读取未修改之前的数据。这样就会导致线程不安全。

内存可见性分析

  1. 线程之间的共享变量存在内存中。然后每个线程都有一个自己的“工作内存”(也就是寄存器 和高速缓存)。
  2. 当某个线程要读取一个共享变量时,会先把变量从内存中拷贝到自己的“工作内存”中,然后从“工作内存”中读取数据;
  3. 当某个线程要修改某个变量时,会直接从自己的“工作内存”去读取之前拷贝的副本,修改后在同步给内存。这样直接在自己的“工作内存”中访问数据虽然可以加快读取速度,但是却存在读错数据的风险,因为无法确定现在线程自己的“工作内存”中的数据是否和主内存中的数据一致.有可能主内存的数据已经被其他线程改了。

所以我们经常说线程安全的可见性是指:一个线程对共享变量值修改后,其他线程能够及时发现,然后从内存中去读取数据,而不是从当前CPU的寄存器或高速缓存中读取。

  • 指令重排序:这里的"序"是指CPU中指令执行的顺序,也就是一条条汇编指令执行的顺序。指令重排序是指CPU会在执行指令前进行优化,即对指令顺序做了调整.指令的重排序也会导致线程不安全。

编译器对指令重排序的前提是”保持逻辑不发生变化,这一点在单线程下很容易判断。但是在多线程下就很难了。多线程的代码执行复杂程度高,编译器很难在编译阶段对代码的执行效果进行预测,因此很容易导致优化后的逻辑和之前不等价.

有序性涉及到CPU以及编译器的一些底层工作原理,就不做过多解释了。


2.synchronized和volatile

2.1 synchronized

synchornized会起到互斥的效果,某个线程执行到某个对象的synchronized中时,其它线程如果也执行到这个对象的synchronized时,就会阻塞等待。

  • 进入synchronized修饰的代码块,相当于对这段代码进行加锁;
  • 退出synchronized 修饰的代码块,相当于对这段代码进行解锁。

就是当t1线程先调用这个被synchronized修饰的方法时,该线程就会获得这把锁,然后进行读取内存,自增,写回内存这些操作。线程走完了这段代码才会将锁打开。而其他线程在t1这个线程获得锁的期间中,不能访问这段代码,只能阻塞等待,直到t1线程释放锁,才能在操作系统的分配下再去竞争这把锁。也就是说,当一个线程获得锁之后,其他线程再想获得这把锁只能阻塞等待,直到这个线程将锁释放。

这时再运行代码时,结果就如预期了:

此期间synchornized的工作过程如下:

  1. 获得互斥锁
  2. 从内存中读取数据副本
  3. 将数据进行修改
  4. 将修改后的数据写入内存
  5. 释放互斥锁

2.1.1 synchornized的特性

  • 互斥:synchornized会起到互斥的效果,某个线程执行到某个对象的synchronized中时,其它线程如果也执行到这个对象的synchronized时,就会阻塞等待。
  • 可重入:可重入锁的内部,包含了 "线程持有者" 和 "计数器" 两个信息。

可重入:

若某个线程加锁的时候,发现锁已经被占用,而占用者恰好是自己,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,释放锁。

  • synchronized可以保证线程的原子性,使线程更安全。

2.1.2 synchronized使用示例

        1).修饰普通方法:对Demo对象加锁

        2).修饰静态方法:对Demo类对象加锁

        3).修饰代码块:明确指定锁哪个对象,锁当前对象

        4).锁类对象

我们始终要明白,synchronized锁的究竟是什么只有当多个线程竞争同一把锁时,才会产生阻塞等待。而多个线程竞争多个不同的锁时,不会发生竞争。


2.2 volatile

我们说线程的安全性有原子性,可见性,有序性volatile这个关键字就可以实现线程安全的可见性。上面说了,CPU在读取内存中的数据时,会将数据先读到自己的“工作内存(CPU的寄存器和高速缓存)”上,然后CPU直接与“工作内存”上的数据打交道。但是如果频繁的读取内存,频繁的从内存上读到“工作内存”上的数据都相同的话,那么CPU为了优化速率,可能就不会每次都从内存开始读起,而是直接在“工作内存”上读取。因为直接读寄存器会比读内存要快很多。但是这样就容易导致如果其他线程改了内存上的数据,该线程不能及时知道,还在读寄存器或高速缓存。而volatile关键字就能保证让CPU每次都去读内存。这样就能及时直到内存上去读取数据,但是每次都从内存上去读取数据的话,会导致效率大大降低。

现在我们通过以下代码来了解一下volatile关键字的用法及作用:

分析以上代码,我们不难看出,我们可以通过在t2线程中输一入个非0整数来改变Test.flag的值,从而使t1线程结束循环。我们来运行一下代码:

显然,当我们输入一个非0整数后,程序还没结束运行,说明t1线程还没结束循环。为什么呢,很简单,这就涉及到了之前说过的内存可见性问题。因为在输入非0整数时,t1线程可能已经循环了千万次,每一次循环从内存上读到的Test.flag都不变,于是CPU就进行优化,不再每次都从内存中读取了,而是直接从寄存器或高数缓存上去读取数据。但是之后如果其它线程将内存上的Test.flag修改之后,当前线程还不知道,还在一直读寄存器或高数缓存的数据,这样就会导致循环不能及时停止。所以就出现了以上代码的情况。而我们用volatile关键字对Test.flag这个变量修饰后,就能强制让CPU每次读取这个数据时,都是先从内存中去读取,这样可以达到了内存可见性的要求。修改代码如下:

再来运行一下:

 这样就达到预期了。


总结:

  • synchronized的作用是加锁,保证线程安全特性中的原子性
  • volatile的作用是强制CPU读数据时从内存上开始读取,保证的是可见性

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