理解并正确使用synchronized和volatile

2021-11-30 04:59:55

线程安全需要同时满足三个条件：

原子性
某个操作是不可中断的，且要么全部做完要么没有执行。
可见性
通过volatile关键字修饰变量实现。读取volatile变量时，先失效本地缓存再读取主存中的最新值；更新volatile变量会立即将最新值刷回主存。
有序性
JMM的happens-before原则。

volatile能保证其修饰的变量的线程可见性但无法保证操作原子性，只能用于"多个变量之间或者某个变量的当前值与修改后值之间没有约束"的场景。在实现计数器(++count)和由多个变量组成的不变表达式方面，volatile无法胜任。

volatile的底层实现机制是什么？被volatile修饰的变量在进行写操作时，处理器会插入一条lock前缀的汇编代码，做了层"内存屏障"，其作用为：

1. 重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置
1. 将当前处理器缓存行的数据会写回到系统内存。
1. 这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

通过处理器之间的缓存一致性协议，当(处理器本)地缓存过期后会失效本地缓存，当更新该缓存时处理器重新从主存load数据到本地缓存并执行计算逻辑。

什么场景下别用volatile?

非线程安全的计数器类

自增操作并不是原子的，比如"++count"操作就是三个原子操作的集合：

读取count旧值
线程上下文汇总设置count新值: count+1
将count新值刷回主存并失效其他线程上下文的count值

假设thread1和thread2均执行"++count"计数操作，thread1和thread2均执行完2但未执行3，此时thread1和thread2先后将count新值刷回主存，这就产生了线程不安全的现象。

只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用volatile。

// 引用
volatile操作不会像锁一样造成阻塞，因此，在能够安全使用volatile的情况下，volatile 可以提供一些优于锁的可伸缩特性。如果读操作的次数要远远超过写操作，与锁相比，volatile 变量通常能够减少同步的性能开销。

非线程安全的数值范围类

// 代码来源于Brian Goetz的《正确使用 Volatile 变量》一文，本文稍作修改
@NotThreadSafe 
public class NumberRange {
    private volatile int lower, upper;
 
    public int getLower() { return lower; }
    public int getUpper() { return upper; }
 
    public void setLower(int value) { 
        if (value > upper) 
            throw new IllegalArgumentException(...);
        lower = value;
    }
 
    public void setUpper(int value) { 
        if (value < lower) 
            throw new IllegalArgumentException(...);
        upper = value;
    }
}

假设NumberRange初始化后lower/upper分别为0和4，即数值范围为[0,4]。此时thread1和thread2分别执行setLower(3)和setUpper(2)，最终lower/upper分别被thread1和thread2设置为3和2，数值范围被更新为[3,2]，某种意义上看是一个无效的数值范围。

什么场景下可以使用volatile?

1、对变量的写入操作不依赖变量的当前值，或者你能确保只有单个线程更新变量的值。
2、该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

Case1: 状态标志

这种类型的状态标记的一个公共特性是：通常只有一种状态转换。

// 代码来源于Brian Goetz的《正确使用 Volatile 变量》一文，本文稍作修改
volatile boolean shutdownRequested;
public void shutdown() { shutdownRequested = true; }
public void doWork() { 
    while (!shutdownRequested) { 
        // do stuff
    }
}

Case2: 一次性安全发布 - One-time Safe Publication

// 代码来源于Brian Goetz的《正确使用 Volatile 变量》一文，本文稍作修改
public class Floor {
    public Floor() {
        // initialization...
    }
}
public class Loader {
    public volatile Floor floor;
    public void init() {
        // this is the only write to floor
        floor = new Floor();
        // initialize floor object here ...
    }
    
    public Floor getFloor() {
        return this.floor;
    }
}
 
public class SomeOtherClass {
private Loader loader;
    public void doWork() {
        while (true) { 
            // use "floor" only if it is ready
            if (loader != null)  // 步骤1
                doSomething(loader.getFloor()); // 步骤2
        }
    }
}

这是一个典型的读写冲突例子，引文中提到"如果Floor引用不是 volatile 类型，doWork() 中的代码在解除对Floor的引用时，将会得到一个不完全构造的Floor"。我对这句理解的是：thread2执行完步骤2后释放对Floor的引用时，thread1可能正在调用init方法初始化floor，此时thread2拿到的是还未被thread1完全初始化的Floor对象。如果doWork内部主动解除对floor对象的引用，则可能拿到未初始化完全的floor对象的引用。

即使floor对象完成初始化，对floor成员域的修改仍然是线程不可见的。

volatile引用可以保证任意线程都可以看到这个对象引用的最新值，但不保证能看到被引用对象的成员域的最新值。

因为volatile修饰的是floor对象的引用，如果thread1执行到步骤1时，thread3修改了floor成员域，其修改对thread1并不可见。思考：如果floor成员域均被volatile锁修饰，其成员域的修改是否对thread3可见？

Case3: 多个独立观察结果的发布

// 代码来源于Brian Goetz的《正确使用 Volatile 变量》一文，本文稍作修改
public class UserManager {
    public volatile String lastUser;
    public boolean authenticate(String user, String password) {
        boolean valid = passwordIsValid(user, password);
        if (valid) {
            User u = new User();
            activeUsers.add(u);
            lastUser = user;
        }
        return valid;
    }
}

这个模式要求被发布的值(lastUser)是有效不可变的 —— 即值的状态在发布后不会更改。与Case1中更新floor对象成员域不同，对String类的操作是在新的String实例上进行的，String对象本身的状态并未改变。String类的这种实现方式天然地提供了线程隔离性。

volatile并非用来解决高并发场景下数据竞争冲突的方案，它只是实现线程可见性的一种方式！如果多个线程同时更新volatile变量，需要采用同步机制解决数据竞争，如CAS或者锁等。

Case4: "volatile bean" 模式

该模式中，Java Bean成员变量均被volatile修饰，且引用类型的成员变量也必须是有效不可变（Collection的子类如List, Set, Queue等有数组值的成员变量，volatile修饰的是数组引用并非数组元素！）。

引用文章

正确使用 Volatile 变量

码农公寓