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Java 多线程4 - volatile 和 synchronized

时间：12-14来源：作者：点击数：

并发编程三要素

1. 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

只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作

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

2. 可见性

指当多个线程访问同一个变量时，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

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

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

3. 有序性

即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行

可以通过 volatile 关键字来保证一定的有序性

另外可以通过 synchronized 和 Lock 来保证有序性，很显然，synchronized 和 Lock 保证每个时刻是有一个线程执行同步代码，相当于是让线程顺序执行同步代码，自然就保证了有序性

volatile

被 volatile 修饰的变量能够保证每个线程能够获取该变量的最新值，从而避免出现数据脏读的现象

下面的代码是很典型的一段代码，很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法：

public class VolatileTest {

  private boolean stop = false;
  //  private volatile boolean stop = false;

  public void doWork() {
    System.out.println("准备工作");
    doWorkWithThread();
    try {
      TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    } finally {
      stop = true;
      System.out.println("可以停止工作了");
    }
  }

  private void doWorkWithThread() {
    new Thread(() -> {
      while(!stop){
        //doSomethings
//        System.out.println("正在工作...");
      }
      System.out.println("停止工作");
    }).start();
  }


  private void doWorkWithCompletableFuture() {
    CompletableFuture.runAsync(() -> {
      while(!stop){
        //doSomethings
//        System.out.println("正在工作...");
      }
      System.out.println("停止工作");
    });
  }


  public static void main(String[] args) {
    VolatileTest volatileTest = new VolatileTest();
    volatileTest.doWork();
  }

}

//打印结果
//准备工作
//可以停止工作了

事实上，这段代码并不会完全运行正确，甚至使用原始的 Thread 可以发现，程序执行结束了并没有停止掉。这个时候 volatile 就派上用场了，在变量修饰符前加上 volatile，可以发现程序按照既定要求执行了。

PS：如果把线程中的 System.out.println 注释去掉，这个时候可以发现，程序又执行正确了，不要奇怪，这是因为 System.out.println 源码中使用了 synchronized，感兴趣的可以看看:

//java8 源码
public void println(String x) {
  synchronized (this) {
    print(x);
    newLine();
  }
}

//java14 源码
public void println(String x) {
  if (getClass() == PrintStream.class) {
    writeln(String.valueOf(x));
  } else {
    synchronized (this) {
      print(x);
      newLine();
    }
  }
}

当然我们也可以不用 volatile，可以改为 AtomicBoolean 达到同样的效果（通过查看源码可以发现底层同样使用的是 volatile 修饰的)。感兴趣的可以看看 java.util.concurrent.atomic 包中提供的各个类的使用:

synchronized

synchronized 保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码

上面看了 volatile 的用法，值得一提的是 volatile 只能修饰变量。那如果要保证一个操作或者方法的原子性时（防止多个线程同时执行一段代码) 就得使用 synchronized 了:

public class SynchronizedTest {

  private int studentsCount = 0;

  private void addStudent() {
    studentsCount++;
  }

  private void removeStudent() {
    studentsCount--;
  }


  public int getStudentsCount() {
    return studentsCount;
  }

  public Runnable onePeopleComingRunnable() {
    return new Runnable() {
      @Override
      public void run() {
        addStudent();
        try {
          TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        removeStudent();
      }
    };
  }

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    SynchronizedTest synchronizedTest = new SynchronizedTest();
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(50);
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
      executor.execute(synchronizedTest.onePeopleComingRunnable());
    }

    executor.shutdown();
    while (!executor.awaitTermination(1, TimeUnit.SECONDS)) {
//      System.out.println("尚未结束");
    }
    System.out.println("总共有 1: " + synchronizedTest.getStudentsCount());

  }

}


//打印结果
//不定，可能出现不同结果，这种现象就是线程不安全的一种表现

我们试试给 addStudent 和 removeStudent 方法加上 synchronized

private synchronized void addStudent() {
  studentsCount++;
}

private synchronized void removeStudent() {
  studentsCount--;
}

//打印结果永远为 0

使用时遵守同步锁的范围越小，效率越高原则

当然上面的计数的场景完全可以用 AtomicInteger 来代替:

private AtomicInteger studentsCountAtomicInteger = new AtomicInteger(0);

private void addStudent() {
  studentsCountAtomicInteger.incrementAndGet();
}

private void removeStudent() {
  studentsCountAtomicInteger.decrementAndGet();
}


public int getStudentsCount() {
  return studentsCountAtomicInteger.get();
}

//打印结果永远为 0

结合使用

实现单例

线程不安全的单例

普通单线程模式下

public class TestSingleton {

  private static TestSingleton instance = null;

  public static TestSingleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      System.err.println("实例化对象");
      instance = new TestSingleton();
    }
    return instance;
  }

  public static void main(String[] args) {
    TestSingleton testSingleton = TestSingleton.getInstance();

    System.out.println("1: " + testSingleton.hashCode());

    TestSingleton testSingleton1 = TestSingleton.getInstance();

    System.out.println("2: " + testSingleton1.hashCode());
  }

}

//打印出的 hashCode 是一样的，说明确实是同一个对象

试试多线程调用情况下

public class Test {
  public static void main(String[] args) {

    CompletableFuture<Void> completableFuture1 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
      TestSingleton testSingleton = TestSingleton.getInstance();

      System.out.println("1: " + testSingleton.hashCode());
    });

    CompletableFuture<Void>  completableFuture2 =  CompletableFuture.runAsync(() -> {
      TestSingleton testSingleton1 = TestSingleton.getInstance();

      System.out.println("2: " + testSingleton1.hashCode());
    });

    while (!(completableFuture1.isDone() && completableFuture2.isDone())) {

    }
  }

//打印结果，不固定，有时候一样，有时候不一样。说明多线程情况下已不是单例了
//ps: 所以多线程的代码才不好调试，结果不固定，跟实际机器的环境有关系
}

线程安全的单例

public class TestSingleton {

  //使用 volatile 保证 instance 原子性
  private volatile static TestSingleton instance = null;

  public static TestSingleton getInstance() {
    if (instance == null) {
      //使用 synchronized 锁住类
      synchronized (TestSingleton.class) {
        if(instance==null) {
          System.err.println("实例化对象");
          instance = new TestSingleton();
        }
      }
    }
    return instance;
  }

  public static void main(String[] args) {

     CompletableFuture<Void> completableFuture1 = CompletableFuture.runAsync(() -> {
      TestSingleton testSingleton = TestSingleton.getInstance();

      System.out.println("1: " + testSingleton.hashCode());
    });

    CompletableFuture<Void>  completableFuture2 =  CompletableFuture.runAsync(() -> {
      TestSingleton testSingleton1 = TestSingleton.getInstance();

      System.out.println("2: " + testSingleton1.hashCode());
    });

    while (!(completableFuture1.isDone() && completableFuture2.isDone())) {

    }
  }

}

//打印结果就是同一对象了，这样就达到了多线程情况下的单例的实现

PS：上面只是举例，如果日常真的要写线程安全的单例的话，建议：

对象实例化占用资源少时

// 使用枚举

//使用枚举-推荐
public enum TestSingleton {

  //枚举元素本身就是单例
  INSTANCE;

  //添加自己需要的操作
  public void singletonOperation(){
  }
}

//饿汉模式-不推荐：直接把单例对象创建出来，要用的时候直接返回即可，但如果程序从头到位都没用使用这个单例的话，单例的对象还是会创建。这就造成了不必要的资源浪费。
public class TestSingleton {
  private static TestSingleton instance = new TestSingleton();

  private TestSingleton() {
    System.out.println("实例化对象");
  }

  public static TestSingleton getInstance() {
    return instance;
  }
}

对象实例化占用资源多且需要延时（第一次使用时再实例化)-使用内部类

public class TestSingleton {
  private static class SingletonClassInstance {
    private static final TestSingleton instance = new TestSingleton();
  }

  private TestSingleton() {
    System.err.println("实例化对象");
  }

  public static TestSingleton getInstance() {
    return SingletonClassInstance.instance;
  }
}

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