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資訊專欄INFORMATION COLUMN

如何使用 volatile, synchronized, final 進行線程間通信

keithxiaoy / 651人閱讀

摘要：如線程執(zhí)行后，線程執(zhí)行，相當于線程向線程發(fā)送了消息。我們可以利用這種互斥性來進行線程間通信。

你是否真正理解并會用volatile, synchronized, final進行線程間通信呢，如果你不能回答下面的幾個問題，那就說明你并沒有真正的理解：

對volatile變量的操作一定具有原子性嗎？

synchronized所謂的加鎖，鎖住的是什么？

final定義的變量不變的到底是什么？

java內(nèi)存模型 內(nèi)存模型

看java內(nèi)存模型之前，我們先來看看什么是內(nèi)存模型？

在多處理器系統(tǒng)中，處理器通常有多級緩存，因為這些緩存離處理器更近并且可以存儲一部分數(shù)據(jù)，所以緩存可以改善處理器獲取數(shù)據(jù)的速度和減少對共享內(nèi)存數(shù)據(jù)總線的占用。緩存雖然能極大的提高性能，但是同時也帶來了諸多挑戰(zhàn)。例如，當兩個處理器同時操作同一個內(nèi)存地址的時候，該如何處理？這兩個處理器在什么條件下才能看到相同的值？

對于處理器而言，一個內(nèi)存模型就是定義一些充分必要的規(guī)范，這些規(guī)范使得其他處理器對內(nèi)存的寫操作對當前處理器可見，或者當前處理器的寫操作對其他處理器可見。

其他處理器對內(nèi)存的寫一定發(fā)生在當前處理器對同一內(nèi)存的讀之前，稱之為其他處理器對內(nèi)存的寫對當前處理器可見。
Java 內(nèi)存模型

知道了內(nèi)存模型，那么應(yīng)該可以更好的理解java內(nèi)存模型。

簡單的講，java內(nèi)存模型指的就是一套規(guī)范，現(xiàn)在最新的規(guī)范為JSR-133。這套規(guī)范包含：

線程之間如何通過內(nèi)存通信；

線程之間通過什么方式通信才合法，才能得到期望的結(jié)果。

Java 內(nèi)存模型中的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

我們已經(jīng)知道 java 內(nèi)存模型就是一套規(guī)范，那么在這套規(guī)范中，規(guī)定的內(nèi)存結(jié)構(gòu)是什么樣的呢？

簡單的講，Java 內(nèi)存模型將內(nèi)存分為共享內(nèi)存和本地內(nèi)存。共享內(nèi)存又稱為堆內(nèi)存，指的就是線程之間共享的內(nèi)存，包含所有的實例域、靜態(tài)域和數(shù)組元素。每個線程都有一個私有的，只對自己可見的內(nèi)存，稱之為本地內(nèi)存。

java內(nèi)存模型中的內(nèi)存結(jié)構(gòu)如下圖所示：

共享內(nèi)存中共享變量雖然由所有的線程共享，但是為了提高效率，線程并不直接使用這些變量，每個線程都會在自己的本地內(nèi)存中存儲一個共享內(nèi)存的副本，使用這個副本參與運算。由于這個副本的參與，導(dǎo)致了線程之間對共享內(nèi)存的讀寫存在可見性問題。

為了方便線程之間的通信，java 提供了 volatile, synchronized, final 三個關(guān)鍵字供我們使用，下面我們來看看如何使用它們進行線程間通信

volatile

volatile 定義的變量，特殊性在于：

一個線程對 volatile 變量的寫一定對之后對這個變量的讀的線程可見。

等價于

一個線程對 volatile 變量的讀一定能看見在它之前最后一個線程對這個變量的寫。

為了實現(xiàn)這些語義，Java 規(guī)定，（1）當一個線程要使用共享內(nèi)存中的 volatile 變量時，如圖中的變量a，它會直接從主內(nèi)存中讀取，而不使用自己本地內(nèi)存中的副本。（2）當一個線程對一個 volatile 變量進行寫時，它會將這個共享變量的值刷新到共享內(nèi)存中。

我們可以看到，其實 volatile 變量保證的是一個線程對它的寫會立即刷新到主內(nèi)存中，并置其它線程的副本為無效，它并不保證對 volatile 變量的操作都是具有原子性的。

由于

 public void add(){
     a++;         #1
 }

等價于

 public void add() {
    temp = a;        
    temp = temp +1;  
    a = temp;         
 }

代碼1并不是一個原子操作，所以類似于 a++ 這樣的操作會導(dǎo)致并發(fā)數(shù)據(jù)問題。

volatile 變量的寫可以被之后其他線程的讀看到，因此我們可以利用它進行線程間的通信。如

volatile int a;

public void set(int b) {
    a = b; 
}

public void get() {
    int i = a; 
}

線程A執(zhí)行set()后，線程B執(zhí)行g(shù)et()，相當于線程A向線程B發(fā)送了消息。

synchronized

如果我們非要使用 a++ 這種復(fù)合操作進行線程間通信呢？java 為我們提供了synchronized。

 public synchronized void add() {
    a++; 
 }

synchronized 使得

它作用范圍內(nèi)的代碼對于不同線程是互斥的，并且線程在釋放鎖的時候會將共享變量的值刷新到共享內(nèi)存中。

我們可以利用這種互斥性來進行線程間通信?？聪旅娴拇a，

public synchronized void add() {
    a++; 
}

public synchronized void get() {
    int i = a; 
}

當線程A執(zhí)行 add()，線程B調(diào)用get()，由于互斥性，線程A執(zhí)行完add()后，線程B才能開始執(zhí)行g(shù)et()，并且線程A執(zhí)行完add()，釋放鎖的時候，會將a的值刷新到共享內(nèi)存中。因此線程B拿到的a的值是線程A更新之后的。

volatile 和 synchronized比較

根據(jù)以上的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)volatile和synchronized有些相似。

當線程對 volatile變量寫時，java 會把值刷新到共享內(nèi)存中；而對于synchronized，指的是當線程釋放鎖的時候，會將共享變量的值刷新到主內(nèi)存中。

線程讀取volatile變量時，會將本地內(nèi)存中的共享變量置為無效；對于synchronized來說，當線程獲取鎖時，會將當前線程本地內(nèi)存中的共享變量置為無效。

synchronized 擴大了可見影響的范圍，擴大到了synchronized作用的代碼塊。

final 變量

final關(guān)鍵字可以作用于變量、方法和類，我們這里只看final 變量。

final變量的特殊之處在于，

final 變量一經(jīng)初始化，就不能改變其值。

這里的值對于一個對象或者數(shù)組來說指的是這個對象或者數(shù)組的引用地址。因此，一個線程定義了一個final變量之后，其他任意線程都拿到這個變量。但有一點需要注意的是，當這個final變量為對象或者數(shù)組時，

雖然我們不能講這個變量賦值為其他對象或者數(shù)組，但是我們可以改變對象的域或者數(shù)組中的元素。

線程對這個對象變量的域或者數(shù)據(jù)的元素的改變不具有線程可見性。

總結(jié)

有時候，我們在學(xué)習(xí)一門技術(shù)過程中，并不能僅僅局限于怎么用，知道怎么用之后，我們應(yīng)該深入的探究一下，為什么這么用之后就能得到我們想要的結(jié)果呢？既要知其然，更要知其所以然。

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