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既生synchronized,何生volatile

在我的博客和公众号中,发表过很多篇关于并发编程的文章,之前的文章中我们介绍过了两个在Java并发编程中比较重要的两个关键字:synchronized和volatile

我们简单回顾一下相关内容:

1、Java语言为了解决并发编程中存在的原子性、可见性和有序性问题,提供了一系列和并发处理相关的关键字,比如synchronized、volatile、final、concurren包等。(再有人问你Java内存模型是什么,就把这篇文章发给他)

2、synchronized通过加锁的方式,使得其在需要原子性、可见性和有序性这三种特性的时候都可以作为其中一种解决方案,看起来是“万能”的。的确,大部分并发控制操作都能使用synchronized来完成。再有人问你synchronized是什么,就把这篇文章发给他。

3、volatile通过在volatile变量的操作前后插入内存屏障的方式,保证了变量在并发场景下的可见性和有序性。再有人问你volatile是什么,把这篇文章也发给他

4、volatile关键字是无法保证原子性的,而synchronized通过monitorenter和monitorexit两个指令,可以保证被synchronized修饰的代码在同一时间只能被一个线程访问,即可保证不会出现CPU时间片在多个线程间切换,即可保证原子性。Java的并发编程中的多线程问题到底是怎么回事儿?

那么,我们知道,synchronized和volatile两个关键字是Java并发编程中经常用到的两个关键字,而且,通过前面的回顾,我们知道synchronized可以保证并发编程中不会出现原子性、可见性和有序性问题,而volatile只能保证可见性和有序性,那么,既生synchronized、何生volatile?

synchronized的问题

我们都知道synchronized其实是一种加锁机制,那么既然是锁,天然就具备以下几个缺点:

1、有性能损耗

虽然在JDK 1.6中对synchronized做了很多优化,如如适应性自旋、锁消除、锁粗化、轻量级锁和偏向锁等(深入理解多线程(五)—— Java虚拟机的锁优化技术),但是他毕竟还是一种锁。

以上这几种优化,都是尽量想办法避免对Monitor(深入理解多线程(四)—— Moniter的实现原理)进行加锁,但是,并不是所有情况都可以优化的,况且就算是经过优化,优化的过程也是有一定的耗时的。

所以,无论是使用同步方法还是同步代码块,在同步操作之前还是要进行加锁,同步操作之后需要进行解锁,这个加锁、解锁的过程是要有性能损耗的。

关于二者的性能对比,由于虚拟机对锁实行的许多消除和优化,使得我们很难量化这两者之间的性能差距,但是我们可以确定的一个基本原则是:volatile变量的读操作的性能小号普通变量几乎无差别,但是写操作由于需要插入内存屏障所以会慢一些,即便如此,volatile在大多数场景下也比锁的开销要低。

2、产生阻塞

我们在深入理解多线程(一)——Synchronized的实现原理中介绍过关于synchronize的实现原理,无论是同步方法还是同步代码块,无论是ACC_SYNCHRONIZED还是monitorenter、monitorexit都是基于Monitor实现的。

基于Monitor对象,当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入Entry Set,当有一个线程获取到对象的锁之后,才能进行The Owner区域,其他线程还会继续在Entry Set等待。并且当某个线程调用了wait方法后,会释放锁并进入Wait Set等待。

所以,synchronize实现的锁本质上是一种阻塞锁,也就是说多个线程要排队访问同一个共享对象。

而volatile是Java虚拟机提供的一种轻量级同步机制,他是基于内存屏障实现的。说到底,他并不是锁,所以他不会有synchronized带来的阻塞和性能损耗的问题。

volatile的附加功能

除了前面我们提到的volatile比synchronized性能好以外,volatile其实还有一个很好的附加功能,那就是禁止指令重排。

我们先来举一个例子,看一下如果只使用synchronized而不使用volatile会发生什么问题,就拿我们比较熟悉的单例模式来看。

我们通过双重校验锁的方式实现一个单例,这里不使用volatile关键字:

 1   public class Singleton {  
 2      private static Singleton singleton;  
 3       private Singleton (){}  
 4       public static Singleton getSingleton() {  
 5       if (singleton == null) {  
 6           synchronized (Singleton.class) {  
 7               if (singleton == null) {  
 8                   singleton = new Singleton();  
 9               }  
 10           }  
 11       }  
 12       return singleton;  
 13       }  
 14   }  

以上代码,我们通过使用synchronized对Singleton.class进行加锁,可以保证同一时间只有一个线程可以执行到同步代码块中的内容,也就是说singleton = new Singleton()这个操作只会执行一次,这就是实现了一个单例。

但是,当我们在代码中使用上述单例对象的时候有可能发生空指针异常。这是一个比较诡异的情况。

我们假设Thread1 和 Thread2两个线程同时请求Singleton.getSingleton方法的时候:

Step1 ,Thread1执行到第8行,开始进行对象的初始化。 Step2 ,Thread2执行到第5行,判断singleton == null。 Step3 ,Thread2经过判断发现singleton != null,所以执行第12行,返回singleton。 Step4 ,Thread2拿到singleton对象之后,开始执行后续的操作,比如调用singleton.call()。

以上过程,看上去并没有什么问题,但是,其实,在Step4,Thread2在调用singleton.call()的时候,是有可能抛出空指针异常的。

之所有会有NPE抛出,是因为在Step3,Thread2拿到的singleton对象并不是一个完整的对象。

我们这里来分析一下,singleton = new Singleton();这行代码到底做了什么事情,大致过程如下:

1、虚拟机遇到new指令,到常量池定位到这个类的符号引用。 2、检查符号引用代表的类是否被加载、解析、初始化过。 3、虚拟机为对象分配内存。 4、虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值。 5、虚拟机对对象进行必要的设置。 6、执行方法,成员变量进行初始化。 7、将对象的引用指向这个内存区域。

我们把这个过程简化一下,简化成3个步骤:

a、JVM为对象分配一块内存M b、在内存M上为对象进行初始化 c、将内存M的地址复制给singleton变量

因为将内存的地址赋值给singleton变量是最后一步,所以Thread1在这一步骤执行之前,Thread2在对singleton==null进行判断一直都是true的,那么他会一直阻塞,直到Thread1将这一步骤执行完。

但是,以上过程并不是一个原子操作,并且编译器可能会进行重排序,如果以上步骤被重排成:

a、JVM为对象分配一块内存M c、将内存的地址复制给singleton变量 b、在内存M上为对象进行初始化

这样的话,Thread1会先执行内存分配,在执行变量赋值,最后执行对象的初始化,那么,也就是说,在Thread1还没有为对象进行初始化的时候,Thread2进来判断singleton==null就可能提前得到一个false,则会返回一个不完整的sigleton对象,因为他还未完成初始化操作。

这种情况一旦发生,我们拿到了一个不完整的singleton对象,当尝试使用这个对象的时候就极有可能发生NPE异常。

那么,怎么解决这个问题呢?因为指令重排导致了这个问题,那就避免指令重排就行了。

所以,volatile就派上用场了,因为volatile可以避免指令重排。只要将代码改成以下代码,就可以解决这个问题:

 1   public class Singleton {  
 2      private volatile static Singleton singleton;  
 3       private Singleton (){}  
 4       public static Singleton getSingleton() {  
 5       if (singleton == null) {  
 6           synchronized (Singleton.class) {  
 7               if (singleton == null) {  
 8                   singleton = new Singleton();  
 9               }  
 10           }  
 11       }  
 12       return singleton;  
 13       }  
 14   }  

对singleton使用volatile约束,保证他的初始化过程不会被指令重排。

synchronized的有序性保证呢?

看到这里可能有朋友会问了,说到底上面问题还是个有序性的问题,不是说synchronized是可以保证有序性的么,这里为什么就不行了呢?

首先,可以明确的一点是:synchronized是无法禁止指令重排和处理器优化的。那么他是如何保证的有序性呢?

这就要再把有序性的概念扩展一下了。Java程序中天然的有序性可以总结为一句话:如果在本线程内观察,所有操作都是天然有序的。如果在一个线程中观察另一个线程,所有操作都是无序的。

以上这句话也是《深入理解Java虚拟机》中的原句,但是怎么理解呢?周志明并没有详细的解释。这里我简单扩展一下,这其实和as-if-serial语义有关。

as-if-serial语义的意思指:不管怎么重排序,单线程程序的执行结果都不能被改变。编译器和处理器无论如何优化,都必须遵守as-if-serial语义。

这里不对as-if-serial语义详细展开了,简单说就是,as-if-serial语义保证了单线程中,不管指令怎么重排,最终的执行结果是不能被改变的。

那么,我们回到刚刚那个双重校验锁的例子,站在单线程的角度,也就是只看Thread1的话,因为编译器会遵守as-if-serial语义,所以这种优化不会有任何问题,对于这个线程的执行结果也不会有任何影响。

但是,Thread1内部的指令重排却对Thread2产生了影响。

那么,我们可以说,synchronized保证的有序性是多个线程之间的有序性,即被加锁的内容要按照顺序被多个线程执行。但是其内部的同步代码还是会发生重排序,只不过由于编译器和处理器都遵循as-if-serial语义,所以我们可以认为这些重排序在单线程内部可忽略。

总结

本文从两方面论述了volatile的重要性以及不可替代性:

一方面是因为synchronized是一种锁机制,存在阻塞问题和性能问题,而volatile并不是锁,所以不存在阻塞和性能问题。

另外一方面,因为volatile借助了内存屏障来帮助其解决可见性和有序性问题,而内存屏障的使用还为其带来了一个禁止指令重排的附件功能,所以在有些场景中是可以避免发生指令重排的问题的。

(全文完) 欢迎关注『Java之道』微信公众号
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