在多线程并发编程中 synchronized
和 volatile
都扮演着重要的角色,volatile
是轻量级的 synchronized
,它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。
内存可见性
- 内存可见性,指的是线程之间的可见性,当一个线程修改了共享变量时,另一个线程可以读取到这个修改后的值。
- 所谓内存可见性,指的是当一个线程对
volatile
修饰的变量进行写操作(比如step 2)时,会立即把该线程对应的本地内存中的共享变量的值刷新到主内存;当一个线程对volatile
修饰的变量进行读操作(比如step 3)时,会把立即该线程对应的本地内存置为无效,从主内存中读取共享变量的值。
public class VolatileDemo {
int a = 0;
volatile boolean flag = false;
public void writer() {
a = 1; // step 1
flag = true; // step 2
}
public void reader() {
if (flag) { // step 3
System.out.println(a); // step 4
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileDemo volatileDemo = new VolatileDemo();
Thread a = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
volatileDemo.writer();
}
});
Thread b = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
volatileDemo.reader();
}
});
a.start();
b.start();
}
这个时候的输出结果为:1
而如果flag变量没有用volatile修饰,在step 2,线程A的本地内存里面的变量就不会立即更新到主内存,那随后线程B也同样不会去主内存拿最新的值,仍然使用线程B本地内存缓存的变量的值a = 0,flag = false。
禁止重排序
为优化程序性能,对原有的指令执行顺序进行优化重新排序。重排序可能发生在多个阶段,比如编译重排序、CPU重排序等。
在JSR-133之前的旧的Java内存模型中,是允许volatile变量与普通变量重排序的。那上面的案例中,可能就会被重排序成下列时序来执行:
- 线程A写volatile变量,step 2,设置flag为true;
- 线程B读同一个volatile,step 3,读取到flag为true;
- 线程B读普通变量,step 4,读取到 a = 0;
- 线程A修改普通变量,step 1,设置 a = 1;
可见,如果volatile变量与普通变量发生了重排序,虽然volatile变量能保证内存可见性,也可能导致普通变量读取错误。
所以在旧的内存模型中,volatile的写-读就不能与锁的释放-获取具有相同的内存语义了。为了提供一种比锁更轻量级的线程间的通信机制,JSR-133专家组决定增强volatile的内存语义:严格限制编译器和处理器对volatile变量与普通变量的重排序。
volatile的非原子性
volatile
虽然增加了实例变量在多个线程之间的可见性,但是却不具备通同步性,也就是不具备原子性。- 使用
volatile
关键字之后,可以强制从公共内存中读取变量的值。 Volatile
只能保证对单个volatile
变量的读/写具有原子性。
volatile的用途
volatile的主要使用场合是在多个线程中可以感知到实例变量被更改了,也就是多线程读取共享变量的时可以获得最新的值来使用。
在保证内存可见性这一点上,volatile
有着与锁相同的内存语义,所以可以作为一个“轻量级”的锁来使用。但由于volatile
仅仅保证对单个volatile
变量的读/写具有原子性,而锁可以保证整个临界区代码的执行具有原子性。所以在功能上,锁比volatile
更强大;在性能上,volatile更有优势。
比如我们熟悉的单例模式,其中有一种实现方式是“双重锁检查”,比如这样的代码:
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance; // 不使用volatile关键字
// 双重锁检验
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) { // 第7行
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton(); // 第10行
}
}
}
return instance;
}
}
synchronized和volatile对比
- volatile是线程同步的轻量级的实现,所以volatile性能比synchronized要好,并且volatile只能修饰变量,而synchronized可以修饰方法以及代码块。
- 多线程访问volatile不会发生阻塞,而synchronized会发生阻塞。
- volatile能保证数据的可见性,但不能保证原子性。而synchronized可以保证原子性,也可以间接保证可见性,因为synchronized会将私有内存和公共内存中的数据做同步,所以更加推荐使用synchronized。
- volatile的关注点在于解决变量在多个线程之间的可见性,而synchronized的关注点在于解决多个线程之间访问资源的同步性。