Synchronized
Synchronized 简介
synchronized实现同步的基础:java中每个对象都可以作为锁对象。当线程试图访问同步代码时,必须获取对象锁,退出或者跑出异常时必须释放锁,否则线程会一直处于阻塞状态。
synchronized实现同步的表现形式分为两种:同步代码块和同步方法。
synchronized同理
同步代码块:任何一个对象都有一个监视器与之关联,线程执行监视器指令时,会尝试获取对象对应的监视器的所有权,即尝试获得对象的锁。
同步方法:使用synchronized关键字修饰的方法,称之为同步方法。
两个的本质都是对一个对象的监视器的获取。任意一个对象都拥有自己的监视器。当同步代码块或同步方法时,执行方法的线程必须先获取该对象的监视器才能
进入同步代码或同步方法,没有获取监视器的线程将会被阻塞,并进入同步队列,线程状态编程阻塞状态。当成功获取监视器的线程释放了锁后,会唤醒在阻塞同步
队列的线程,使其重新尝试对监视器的获取。
synchronized特点:
- 当前线程的同步方法、同步代码块执行结束,当前线程即释放同步监视器。
- 当线程在同步代码块、同步方法中遇到break、return终止了该代码块、该方法继续执行,当前线程会释放同步监视器。
- 当前线程在同步代码块或同步方法中出现了未处理的Error或Exception,导致了代码的异常终止,此时线程的同步监视器也会被释放。
- 当前线程在执行同步代码块或同步方法时,执行了同步监视器对象的wait方法，导致当前线程的停止,此时会释放监视器。
在执行同步方法或同步代码块,调用thread.sleep()、yield()方法来暂停线程、此线程不会释放监视器。
ReentrantLock
synchronized 无法中断一个正在等候获得锁的线程，也无法通过投票得到锁
ReentrantLock 拥有与 synchronized 相同的并发性和内存语义，但是添加了类似锁投票、定时锁等候和可中断锁等候的一些特性.
JDK5之前,靠synchronized关键字来实现锁功能,处理多线程并发的问题;在JDK5之后新增了lock来实现锁的功能,同时也提供了ReentrantLock实现类。
ReentrantLock使用时需要显式的获取或释放锁，而synchronized可以隐式获取和释放锁，也就是说，在正常使用情况下，ReentrantLock需要手动操作锁的获取和释放，synchronized可以自动的获取和释放，从操作性上synchronized是相对便捷的，居然ReentrantLock是手动的，那么也有它的优势，就是可以自定义一些其他的操作，比如中断锁的获取及超时获取锁等多种特性。
Lock接口的一些方法:
void lock():如果锁处于空闲状态,当前线程获取到锁。相反,如果锁已经被其他线程持有,将仅有当前线程,直到当前线程获取到锁。
boolean tryLock():如果锁可用,则获取锁,并立即返回true。否则返回false,tryLock()只是试图获取锁,如果锁不可用,不会导致当前线程被禁用,
当前线程仍然继续往下执行代码。lock()方法一定要获取到锁,如果锁不可用,就一直等待,在未获取锁之前,当前线程并不继续向下执行,通常采用如下的
代码形式调用tryLock()方法。
void unlock():当前线程将释放持有的锁,锁只能有持有者释放,如果线程并不持有锁,却执行该方法,可能导致异常的发生。
Condition newCondition():条件对象,获取等待通知组件,该组件和当前的锁绑定,当前线程直邮获取了锁,才能调用该组件的await()方法,而调用后,当前线程将释放锁。
synchronized控制的锁是非公平锁。这种非公平现象,有可能造成一些线程都无法获取CPU资源的执行权,而优先级高的线程会不断增加自己执行资源。
要解决这种饥饿非公平问题,需要引入公平锁。
公平锁:可以保证线程的执行顺序,可以避免非公平现象的产生,但效率比较低,因为要执行顺序执行,需要维护一个有序队列。
公平锁的实现,只需在ReentrantLock的构造函数传入true即可,false则是非公平锁,无参构造函数默认是false。
Synchronized和ReentrantLock的比较
- Lock一个接口,提供ReentrantLock实现类,JDK实现;而synchronized是个关键字,是java内置线程同步,是JVM实现。
- synchronized在发生异常时,会自动的释放线程占用锁对象,不会死锁的现象发生,而Lock在发生异常时,如果没有主动的通过unlock方法释放对象,
则可能会造成死锁的发生,因此在使用Lock时需要在finally块中释放锁。- Lock可以让等待锁的线程中断,而synchronized不行,会一直等待下去，直到有唤醒的操作。
- Lock可以判断线程是否获取锁对象,而synchronized则不行。
- synchronized中的锁是非公平的,ReentrantLock默认情况下是非公平的,但是也可以是公平的。
- 一个ReentrantLock可以同时绑定多个Condition对象。
- synchronized和ReentrantLock都是可重入锁。
当竟争资源非常激烈时,此时ReentrantLock的性能要远远优于synchronized。
JDK5 synchronized是性能低效的,是阻塞的实现,JDK6的基础上,对synchronized进行优化。
volatile
线程安全性包含两个方面:可见性、原子性。
线程之间的通信:
- 在共享内存的并发模型里,线程之间共享的公共状态,线程之间通过写读内存中的公共状态来隐式进行通信,典型的共享内存通信方式就是通过共享对象进行通信。
- 在消息传递的并发模型里,线程之间没有共享状态,线程之间必须通过明确的发送消息来显示进行通信,在java中典型的消息传递方式为wait()和notify()。
可见性
一个线程对共享变量值得修改,能够及时地被其他线程看到。
共享变量
如果一个变量在多个线程的工作内存都在副本,那么个这个变量就是这几个线程的共享变量。
线程的工作内存:JMM抽象出的一种内存模型
所有的变量都是储存在主内存中,每个线程都有自己的独立的工作内存,里面保存的是该线程使用到的变量的副本,线程修改的变量的值是修改的该线程的工作内存
中的变量的副本,然后再将修改后的值刷新到主内存中。此时,其他线程能够及时地看到主内存中该变量的更新值。
JMM中有两条规定
- 线程对共享变量的所有操作都必须在自己的内存中进行，不能直接在主内存中读写
- 不同的线程之间不能直接访问工作内存的变量,线程之间变量值的传递只能通过主内存来传递。
实现共享变量的可见性,必须保证亮两点
- 线程修改后的共享变量值能够从线程工作内存中刷新到主内存中
- 其他线程能够及时把共享变量的在、最新值从主内存更新到自己的工作内存中
Java支持的可见性实现的两种方式
- synchronized能够保证同步方法或同步代码快中变量的符合操作的原子性;也能保证变量的可见性
- volatile不能保证变量的符合操作的原子性;只能保证变量的可见性。
JMM关于synchronized的两条规定
- 线程加锁时,将晴空工作内存中共享变量的值,从而使用共享变量时需要从主内存中重新读取最新的值
- 线程解锁时,必须把共享变量的最新值刷新到主内存中
synchronized线程执行互斥代码的过程
获得互斥锁--> 清空工作内存-->从主内存中拷贝变量的最新直到工作内存-->执行代码-->将更新后的共享变量的值刷新到主内存-->释放互斥锁
指令重排序
重排序不会对单线程带来内存可见性问题。但是多线程交互时,指令重排序节能会造成内存可见性问题。
volatile如何实现内存可见性: 通过加入内存屏障和禁止冲排序来优化实现
- 对volatile变量执行写操作时,会在写操作后加入一条store屏障指令
- 对volatile变量执行读操作时,会在读操作前加入一条load屏障指令
volatile如何实现内存可见性
线程写volatile变量的过程
- 改变线程工作内存中volatile变量副本的值
- 将改变后的副本的值从工作内存刷新的主内存
线程读volatile变量的过程
- 从主内存中读取volatile变量的最新值到线程内存中
- 从工作内存中读取volatile变量的副本
volatile不能保证变量符合操作的原子性
每个volatile的变量,都有自己的工作副本,在修改之后,该会更新工作内存,会出现藏独。
volatile和synchronized的区别
- volatile本质就是在告诉jvm当前变量在寄存器(工作内存)中的值是不确定的,需要从主存中读取,synchronized则是锁定当前变量,
只有当前线程可以访问该变量,其他线程被阻塞。- volatile仅能使用在变量级别;synchronized则可以使用在变量、方法和类级别的
- volatile仅能实现变量的修改可见性,不能保证原子性;synchronized可以保证变量的修改可见性和原子性。
- volatile不会造成线程的阻塞;synchronized可能会造成线程的阻塞。
- volatile标记的变量不会被编译优化;synchronized标记的变量可以被编译器优化。
CopyOnWriteArrayList
CopyOnWrite容器即写时复制的容器。通俗的理解是当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，
复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。
这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会添加任何元素。
所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。
CopyOnWrite并发容器用于读多写少的并发场景。例如白名单、黑名单、商品类目的访问和更新场景。
CopyOnWriteArrayList不支持迭代的时候对容器进行修改，而ArrayList本身的迭代器是支持迭代中更改容器结构。
CopyOnWriteArrayList 底层结构为:数组;读取结构,无锁;修改列表,加锁,确保始终只有一个线程在修改列表内容。
每次修改都会先上锁,然后进行数组拷贝,性能较ArrayList低,读取无锁,读的性能比Vector高;
遍历时,是对列表中当前所指向的数组进行遍历,遍历过程中对数组的修改,不会影响遍历的内容。
使用显示锁ReentrantLock来加锁所有的写操作，实现线程安全。
由于array属性被volatile修饰,添加完成后,其他线程就可以立刻查看看到被修改的内容。
CopyOnWriteArrayList保证数据在多线程操作时的最终一致性。
HashTable、Vector加锁的粒度大(直接在方法声明处使用synchronized)。
ConcurrentHashMap(ConcurrentHashMap用了CAS锁)、CopyOnWriteArrayList加锁粒度小。
JUC下的线程安全容器在遍历的时候不会跑出ConcurrentModificationException异常。
CopyOnWrite vs 读写锁
相同点:1.两者都是通过读写分离的思想实现;2.读线程间是互不阻塞的。
不同点:对读线程而言,为了实现数据实时性,在写锁被获取后,读线程会等待或者当读锁被获取后,写线程会等待,从而解决脏读等问题。即使用读写锁依然会出现读线程阻塞等待的情况。
COW则完全放开了牺牲数据实时性而保证数据最终一致性,即读线程对数据的更新是延迟感知的,因此读线程不会存在等待的情况。
COW的缺点:
- 内存占用问题: 进行写操作的时候,内存里会同时驻扎两个对象的内存,旧的对象和新写入的对象(写的时候,旧容器的对象还在使用,两份对象内存)。
如果内存较少,会频繁发生minor GC 和major GC。- 数据一致性问题:COW容器只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性。
参考文献
ArrayList与LinkedList遍历性能比较
Java集合框架（一）
Java集合框架之ArrayList、LinkedList的区别（四）
源码浅析ArrayList、LinkedList和Vector的区别
美团试题：ArrayList和linkedlist有什么区别，如何遍历，使用for循环遍历linkedlist为什么效率低，linkedlist能使用索引访问么，使用迭代器呢
腾讯面试笔记：volatile关键字与synchronized关键字在内存的区别
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