Java 多线程系列(8) —— 线程同步基础

线程同步基础

Synchronized

Synchronized 关键字提供了一种锁机制，可以实现一个简单的策略来防止线程的干扰和内存一致性错误。即 Synchronized 能够确保共享变量之间的互斥访问，从而防止数据不一致的问题出现。

Synchronized 关键字包括 moniter enter 和 moniter exit 两个 JVM 命令，他能够保证在任何线程执行到moniter enter 成功之前都必须从主存中获取数据，而不是从缓存中。在 moniter exit 运行成功之后，共享变量被更新后的值必须被刷入主存中。

synchronized 的使用方式。

1. 同步方法

public class Test {
	public synchronized void functionA() {
		//...
	}
	
	public synchronized static void functionB() {
		//...
	}
}

其中 functionA 是对 this 对象加锁，而 functionB 是对 Test.class 对象加锁

3. 同步方法块

	public static Object MUTEX;
	
	public void functionA() {
		synchronized(MUTEX) {
			
		}
	}

用于放在同步代码块的对象一定是 Object 类型的对象

Volatile

Volatile 能够用于解决 32 位电脑中 64 位数据写入的原子性，内存可见性和禁止重排序的功能

32 位系统中 64 位 数据写入的原子性

在 32 位系统中写入 64 位数据，64 位的变量会被拆成两个 32 位进行进行写入，那么在写入一半时有其他线程来读取数据，那么会造成数据读取的错误

内存可见性

在线程写入一个数据时，会先向缓存中写入数据，稍后在写入到本地的主存中去。这就造成了一个线程写完了，另一个线程立刻去读取写入的数据，却读取到原先的值，虽然过一段时间后，可以读到这个数据，但是却是最终一致性，而不是强一致性。使用 volatile 后，则会立刻写入到主存中去，对其他线程可见。

指令重排

对于开发者而言，是希望程序按照顺序执行下去，但是对于计算机而言，则需要将没有依赖关系的指令进行重排序，以期获得更大的效率。

例如，instance=new Instance(); 中有三个基础操作

1. 分配一块内存
2. 在内存上初始化成员变量
3. 把 instance 引用指向内存 其中，操作2 和操作 3 可能会被重排。在用户对于对象进行直接操作时，则会有可能引起操作空对象的异常。

JMM

传统的 x86 的布局如下图所示 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JYmsx3sO-1661482925988)(en-resource://database/805:1)] 在 CPU 的缓存一致性协议下，多个CPU 之间的缓存不会出现不同步的问题。但是这却严重损耗了性能。

为了降低性能损耗，又在计算单元和 L1 之间增加了 Store Buffer、Load Buffer。 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pywFsGYZ-1661482925990)(en-resource://database/806:1)] 从操作系统的角度来看这就相当于每一个逻辑 CPU 都有自己的缓存。

由于每个逻辑 CPU 都有自己的缓存，这些缓存和主存之间是不完全同步的，因此也就会存在内存可见性问题。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-FsWUiZYR-1661482925991)(en-resource://database/808:1)] 抽象到 Java 就是 JVM 的内存模型 [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AwsUxKeO-1661482925991)(en-resource://database/807:1)]

as-if-serial 与 happen before

只要操作之间没有数据依赖，编译器和CPU 可以进行任意重排序，执行的最终结果不会发生改变。这就是 as-if-serial 语义。

但是在多线程情况下便不能保证 as-if-serial 语义。

由于线程之间数据的依赖和相互影响，我们需要告知编译器和 CPU 在什么场景下可以进行重排序，什么时候不可以进行重排序。

为此 JMM 引入了 happen before 语义。如果说 A happen before B 则就意味着， 操作 A 的结果对操作 B 必须可见。

happen before 规定，对于 volatile 变量的写入操作必须对后续 volatile 变量的读取可见。

同时 happen before 具有传递性，如果 A happen before B，B happen before C，那么 A happen before C。

volatile 的使用

volatile 只用于对变量的声明。

public static volatile int c;

内存屏障

内存屏障分为四种

• LoadLoad：读读内存屏障，如果 A LoadLoad B ，则就意味着 Load 操作 A 必须在 Load 操作 B 前执行
• StoreStore：写写内存屏障，如果 A StoreStore B，则就意味着 Store 操作 A 必须在 Store 操作 B 前执行
• LoadStore：读写内存屏障，如果 A LoadStore B，则就意味着 Load 操作 A 必须在 Store 操作 B 前执行。
• StoreLoad： 写读内存屏障，如果 A StoreLoad B，则就意味着 Store 操作 A 必须早 Load 操作 B 前执行。

PS 上述 A 和 B 都是操作的代号，不是数据的代号。

volatile 的内存屏障

1. volatile 在写之前插入了一个 StoreStore 屏障，保证不会和之前的写操作发生重排序
2. volatiel 在写操作后插入了一个 StoreLoad 屏障，保证不会和之后的读操作重排序
3. volatile 读操作后插入了一个 LoadLoad 屏障和 LoadStore 屏障，保证不会和之后的读操作和写操作发生重排序。