synchronized 与volatile
2022-04-01 10:28 shadowsky88 阅读(26) 评论(0) 编辑 收藏 举报关键字synchronized的主要作用是保证同一时刻，只有一个线程可以执行某一个方法，或是某一个代码块，synchronized可以修饰方法及代码块。随着JDK的版本升级，synchronized关键字在执行效率上得到很大提升。它包含三个特征。
1）可见性：synchronized具有可见性。
2）原子性：使用synchronized实现了同步，同步实现了原子性，保证被同步的代码段在同一时间只有一个线程在执行。
3）禁止代码重排序：synchronized禁止代码重排序。
关键字volatile的主要作用是让其他线程可以看到最新的值，volatile只能修饰变量。它包含三个特征：
1）可见性：B线程能马上看到A线程更改的数据。
2）原子性：在32位系统中，针对未使用volatile声明的long或double数据类型没有实现写原子性，如果想实现，则声明变量时添加volatile，而在64位系统中，原子性取决于具
2.3.3 禁止代码重排序的测试
使用关键字volatile可以禁止代码重排序。
在Java程序运行时，JIT（Just-In-Time Compiler，即时编译器）可以动态地改变程序代码运行的顺序，例如，有如下代码：
A代码-重耗时 B代码-轻耗时 C代码-重耗时 D代码-轻耗时
在多线程的环境中，JIT有可能进行代码重排，重排序后的代码顺序有可能如下：
B代码-轻耗时 D代码-轻耗时 A代码-重耗时 C代码-重耗时
这样做的主要原因是CPU流水线是同时执行这4个指令的，那么轻耗时的代码在很大程度上先执行完，以让出CPU流水线资源给其他指令，所以代码重排序是为了追求更高的程序运行效率。
重排序发生在没有依赖关系时，例如，对于上面的A、B、C、D代码，B、C、D代码不依赖A代码的结果，C、D代码不依赖A、B代码的结果，D代码不依赖A、B、C代码的结果，这种情况下就会发生重排序，如果代码之间有依赖关系，则代码不会重排序。
使用关键字volatile可以禁止代码重排序，例如，有如下代码：
A变量的操作 B变量的操作 volatile Z变量的操作 C变量的操作 D变量的操作
那么会有4种情况发生：
1）A、B可以重排序。
2）C、D可以重排序。
3）A、B不可以重排到Z的后面。
4）C、D不可以重排到Z的前面。
换言之，变量Z是一个“屏障”，Z变量之前或之后的代码不可以跨越Z变量，这就是屏障的作用，关键字synchronized具有同样的特性。
1.实现代码重排序的测试
虽然代码重排序后能提高程序的运行效率，但在有逻辑性的程序中就容易出现一些错误，下面通过示例验证一下。
创建测试用的项目reorderTest。
创建类代码如下：
package test;
public class Test1 {
private static long x = 0;
private static long y = 0;
private static long a = 0;
private static long b = 0;
private static long c = 0;
private static long d = 0;
private static long e = 0;
private static long f = 0;
private static long count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (;;) {
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
c = 0;
d = 0;
e = 0;
f = 0;
count++;
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
a = 1;
c = 101;
d = 102;
x = b;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
b = 1;
e = 201;
f = 202;
y = a;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
String showString = "count=" + count + " " + x + "," + y + "";
if (x == 0 && y == 0) {
System.err.println(showString);
break;
} else {
System.out.println(showString);
}
}
}
}
程序运行后控制台输出最后的部分结果如下：
count=119630 0,1 count=119631 0,1 count=119632 0,1 count=119633 0,1 count=119634 0,1 count=119635 0,0
程序输出x和y都是0，这时就出现了代码重排序，重排后的顺序如下：
x = b; a = 1; c = 101; d = 102;
和
y = a; b = 1; e = 201; f = 202;
结果是x和y均为0。
2.关键字volatile之前的代码可以重排
下面通过示例验证volatile“之前”的代码可以出现代码重排的效果，重排后的顺序如下：
x = b; a = 1; c = 101; d = 102;
和
y = a; b = 1; e = 201; f = 202;
结果是x和y均为0。
程序代码如下：
package test;
public class Test2 {
private static long x = 0;
private static long y = 0;
private static long a = 0;
private static long b = 0;
private static long c = 0;
volatile private static long d = 0;
private static long e = 0;
volatile private static long f = 0;
private static long count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (;;) {
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
c = 0;
d = 0;
e = 0;
f = 0;
count++;
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
a = 1;
c = 101;
x = b;
d = 102;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
b = 1;
e = 201;
y = a;
f = 202;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
String showString = "count=" + count + " " + x + "," + y + "";
if (x == 0 && y == 0) {
System.err.println(showString);
break;
} else {
System.out.println(showString);
}
}
}
}
程序运行结果如下：
count=33853 0,1 count=33854 0,1 count=33855 0,1 count=33856 0,1 count=33857 0,1 count=33858 0,0
关键字volatile之前的代码发生了重排。
3.关键字volatile之后的代码可以重排
下面通过示例验证volatile之后的代码可以出现代码重排的效果，重排后的顺序如下：
c = 101; x = b; a = 1; d = 102;
和
e = 201; y = a; b = 1; f = 202;
结果是x和y均为0。
程序代码如下：
package test;
public class Test3 {
private static long x = 0;
private static long y = 0;
private static long a = 0;
private static long b = 0;
volatile private static long c = 0;
private static long d = 0;
volatile private static long e = 0;
private static long f = 0;
private static long count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (;;) {
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
c = 0;
d = 0;
e = 0;
f = 0;
count++;
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
c = 101;
a = 1;
d = 102;
x = b;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
e = 201;
b = 1;
f = 202;
y = a;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
String showString = "count=" + count + " " + x + "," + y + "";
if (x == 0 && y == 0) {
System.err.println(showString);
break;
} else {
System.out.println(showString);
}
}
}
}
程序运行结果如下：
count=20898 0,1 count=20899 0,1 count=20900 0,1 count=20901 0,1 count=20902 0,0
关键字volatile之后的代码发生了重排。
4.关键字volatile之前的代码不可以重排到volatile之后
下面通过示例验证volatile之前的代码不可以重排到volatile之后，所以x和y同时不为0的情况不会发生。
程序代码如下：
package test;
public class Test4 {
private static long x = 0;
private static long y = 0;
private static long a = 0;
private static long b = 0;
volatile private static long c = 0;
volatile private static long d = 0;
private static long count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (;;) {
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
c = 0;
d = 0;
count++;
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
x = b;
c = 101;
a = 1;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
y = a;
d = 201;
b = 1;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
String showString = "count=" + count + " " + x + "," + y + "";
if (x != 0 && y != 0) {
System.err.println(showString);
break;
} else {
System.out.println(showString);
}
}
}
}
程序运行后，x和y同时不为0的情况不会发生，所以关键字volatile之前的代码不可以重排到volatile之后。
5.关键字volatile之后的代码不可以重排到volatile之前
下面通过示例验证volatile之后的代码不可以重排到volatile之前，所以x和y的值永远不可能同时为0。
程序代码如下：
package test;
public class Test5 {
private static long x = 0;
private static long y = 0;
private static long a = 0;
private static long b = 0;
volatile private static long c = 0;
volatile private static long d = 0;
private static long count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (;;) {
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
c = 0;
d = 0;
count++;
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
a = 1;
c = 101;
x = b;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
b = 1;
d = 201;
y = a;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
String showString = "count=" + count + " " + x + "," + y + "";
if (x == 0 && y == 0) {
System.err.println(showString);
break;
} else {
System.out.println(showString);
}
}
}
}
程序运行后，x和y的值永远不可能同时为0，所以关键字volatile之后的代码不可以重排到volatile之前。
6.关键字synchronized之前的代码不可以重排到synchronized之后
下面通过示例验证synchronized之前的代码不可以重排到synchronized之后，所以x和y同时不为0的情况不会发生。
程序代码如下：
package test;
public class Test6 {
private static long x = 0;
private static long y = 0;
private static long a = 0;
private static long b = 0;
private static long count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (;;) {
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
count++;
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
x = b;
synchronized (this) {
}
a = 1;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
y = a;
synchronized (this) {
}
b = 1;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
String showString = "count=" + count + " " + x + "," + y + "";
if (x != 0 && y != 0) {
System.err.println(showString);
break;
} else {
System.out.println(showString);
}
}
}
}
程序运行后，x和y同时不为0的情况不会发生，所以关键字synchronized之前的代码不可以重排到synchronized之后。
7.关键字synchronized之后的代码不可以重排到synchronized之前
下面通过示例验证synchronized之后的代码不可以重排到synchronized之前，所以x和y的值永远不可能同时为0。
程序代码如下：
package test;
public class Test7 {
private static long x = 0;
private static long y = 0;
private static long a = 0;
private static long b = 0;
private static long count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (;;) {
x = 0;
y = 0;
a = 0;
b = 0;
count++;
Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
a = 1;
synchronized (this) {
}
x = b;
}
});
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
b = 1;
synchronized (this) {
}
y = a;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
String showString = "count=" + count + " " + x + "," + y + "";
if (x == 0 && y == 0) {
System.err.println(showString);
break;
} else {
System.out.println(showString);
}
}
}
}
程序运行后，x和y的值永远不可能同时为0，所以关键字synchronized之后的代码不可以重排到synchronized之前。
8.总结
关键字synchronized的主要作用是保证同一时刻，只有一个线程可以执行某一个方法，或是某一个代码块，synchronized可以修饰方法及代码块。随着JDK的版本升级，synchronized关键字在执行效率上得到很大提升。它包含三个特征。
1）可见性：synchronized具有可见性。
2）原子性：使用synchronized实现了同步，同步实现了原子性，保证被同步的代码段在同一时间只有一个线程在执行。
3）禁止代码重排序：synchronized禁止代码重排序。
关键字volatile的主要作用是让其他线程可以看到最新的值，volatile只能修饰变量。它包含三个特征：
1）可见性：B线程能马上看到A线程更改的数据。
2）原子性：在32位系统中，针对未使用volatile声明的long或double数据类型没有实现写原子性，如果想实现，则声明变量时添加volatile，而在64位系统中，原子性取决于具体的实现，在X86架构64位JDK版本中，写double或long是原子的。另外，针对用volatile声明的int i变量进行i++操作时是非原子的。
3）禁止代码重排序。
学习多线程与并发，要着重“外炼互斥，内修可见，内功有序”，这是掌握多线程、学习多线程和并发技术的重要知识点。
关键字volatile和synchronized的使用场景总结如下：
1）当想实现一个变量的值被更改时，让其他线程能取到最新的值时，就要对变量使用volatile。
2）当多个线程对同一个对象中的同一个实例变量进行操作时，为了避免出现非线程安全问题，就要使用synchronized。
