Synchronized、volatile与ThreadLocal区别及使用场景

1.JMM(java内存模型)

Java内存模型(Java Memory Model)描述了Java程序中各种变量(线程共享变量)的访问规则,以及在JVM中将变量存储到内存和从内存中读取出变量这样的底层细节。

多个线程同时对主内存的一个共享变量进行读取和修改时,首先会读取这个变量到自己的工作内存中成为一个副本,对这个副本进行改动之后,再更新回主内存中变量。

(由于CPU时间片是以线程为最小单位,这里的工作内存实际上就是指的物理缓存,CPU运算时获取数据的地方;而主内存也就是指的是内存,也就是原始的共享变量存放的位置)

image

JMM 关键技术点都是围绕多线程的原子性、可见性、有序性来建立的。

原子性(Atomicity)

原子性是指一个原子操作在cpu中不可以暂停然后再调度。要么执行完成,要么不执行。

x++(包含三个原子操作)
a.将变量x 值取出放在寄存器中
b.将将寄存器中的值+1
c.将寄存器中的值赋值给x

可见性(Visibility)

如果一个线程对成员变量的修改,能够及时的被其他线程看到,叫做成员变量的可见性。
禁止编译器对成员变量进行优化,每次线程访问成员变量时,都强迫从内存中重读该成员变量的值;而且,当成员变量发生变化时,强迫线程将变化值回写到共享内存。

有序性(Ordering)

有序性问题的原因是因为程序在执行时,可能会进行指令重排,重排后的指令与原指令的顺序未必一致。
本线程内观察,所有操作都是有序的;如果在一个线程中观察另一个线程,所有操作都是无序的。

两条规定:

a.线程对共享变量的所有操作必须在工作内存中进行,不能直接操作主内存

b.不同线程间不能访问彼此的工作内存中的变量,线程间变量值的传递都必须经过主内存


2.Synchronized(同步锁)

Synchronized 实际上是对访问修改共享变量的代码块进行加互斥锁,多个线程对Synchronized代码块的访问时,某一时刻仅仅有一个线程在访问和修改代码块中的内容(加锁),其他所有的线程等待该线程离开代码块时(释放锁)才有机会进入Synchronized代码块。
Synchronized关键字保证了数据读写一致和可见性等问题,“以时间换空间”。
修饰一个类

class ClassName {
    public void method() {
       synchronized(ClassName.class) {
          // todo
       }
    }
 }

修饰一个方法

public synchronized void method()
{
   // todo
}

修饰一个代码块

public  void method()
{
   synchronized(this){
     // todo
   }
}

修饰一个静态的方法

public synchronized static void method() {
   // todo
}

3.volatile

volatile如何实现可见性?

volatile变量每次被线程访问时,都强迫线程从主内存中重读该变量的最新值,而当该变量发生修改变化时,也会强迫线程将最新的值刷新回主内存中。这样一来,不同的线程都能及时的看到该变量的最新值。

但是volatile不能保证变量更改的原子性!
比如count++,这个操作实际上是三个操作的集合,volatile只能保证每一步的操作对所有线程是可见的,但是假如两个线程都需要执行count++,那么这一共6个操作集合,之间是可能会交叉执行的,那么最后导致xx的结果可能会不是所期望的。有可能1号线程在即将进行写操作时count值为3;而2号线程就恰好获取了写操作之前的值3,所以1号线程在完成它的写操作后count值就为4了,而在2号线程中count的值还为4,即使2号线程已经完成了写操作count还是为4。

public class Counter {
    private volatile int count;

    public int getCount(){
        return count;
    }
    public void increment(){
        count++;
    }
}

所以对于count++这种非原子性操作,推荐用synchronized:

public class Counter {
    private volatile int count;

    public int getCount(){
        return count;
    }
    public synchronized void increment(){
        count++;
    }
}
volatile适用情况

(1)对变量的写入操作不依赖当前值
比如自增自减、count = count + 5等(不满足)

(2)当前volatile变量不依赖于别的volatile变量


3.synchronized和volatile比较

  • synchronized既能保证共享变量可见性,也可以保证锁内操作的原子性;volatile只能保证可见性;
  • volatile不需要同步操作,所以效率更高,不会阻塞线程,但是适用情况比较窄

4.ThreadLocal

ThreadLocal不是为了解决多线程访问共享变量,而是为每个线程创建一个单独的变量副本,提供了保持对象的方法和避免参数传递的复杂性

顾名思义它是local variable(线程局部变量)。它的功用非常简单,就是为每一个使用该变量的线程都提供一个变量值的副本,是每一个线程都可以独立地改变自己的副本,而不会和其它线程的副本冲突。从线程的角度看,就好像每一个线程都完全拥有该变量。(ThreadLocal采用了“以空间换时间”的方式)

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