原子性是指一个操作不可中断的特性。
在多线程环境下,线程是CPU调度的基本单位,CPU根据不同的调度算法进行线程切换。当一个线程获得时间片后开始执行,在时间片耗尽之后,就会失去CPU使用权。因此,在多线程场景下,由于时间片切换的原因,原子性问题可能会出现。
例如,线程1获得时间片开始执行,但在执行过程中,CPU时间片耗尽,线程1需要让出CPU。这时线程2获得了时间片开始执行。然而,对于线程1而言,它的操作可能并没有完全执行完成,也没有完全不执行,这就是原子性问题的产生。因此,保证原子性是非常重要的。
✨synchronized关键字实际上是通过monitorenter和monitorexit这两个字节码指令来实现的。✨ 当线程执行到monitorenter时,会先获得锁,然后才能继续执行后面的方法。当线程执行到monitorexit时,会释放锁。
在锁未释放之前,其他线程无法再次获取锁,因此通过monitorenter和monitorexit指令可以保证被synchronized修饰的代码在同一时间只能被一个线程访问,其他线程在锁未释放之前无法访问该代码块。这样,synchronized可以保证方法和代码块内的操作是原子性的。
当线程执行monitorenter指令时,会对Monitor进行加锁,其他线程无法获取锁,除非线程主动解锁。即使在执行过程中,例如CPU时间片用完,线程放弃了CPU,但是并没有进行解锁。由于synchronized的锁是可重入的,线程在下一个时间片中仍然能够获取到锁,并继续执行代码,直到所有代码执行完毕。这样就保证了原子性。
可见性是指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看到修改的值。
在Java内存模型中,所有的变量都存储在主内存中,每条线程还有自己的工作内存,线程的工作内存中保存了该线程中使用到的变量的主内存副本拷贝。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存。
不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量的传递需要通过主内存进行数据同步。因此,就可能出现一个线程修改了某个变量的值,但是其他线程无法立即看到修改的值的情况。
为了保证可见性,使用synchronized关键字修饰的代码会在开始执行时加锁,在执行完成后解锁。根据可见性的规则,对一个变量解锁之前,必须先把此变量的值同步回主内存中。这样解锁后,后续的线程就可以访问到被修改后的值。 因此,通过synchronized关键字锁住的对象,其值具有可见性。
有性问题可以理解为在多线程环境下,一个线程中的操作可能会被重排或者乱序执行,而在另一个线程中观察这些操作的顺序可能是无法确定的。
我们知道,计算机硬件层面进行了很多优化。除了引入时间片外,处理器优化和指令重排等技术也被使用。这些优化措施可能导致CPU对输入的代码进行乱序执行。例如,原本的代码顺序是load->add->save,但CPU可能会对其进行重排优化,改变执行顺序为load->save->add。这种情况下就会出现有序性问题。
要彻底解决有序性问题,最理想的方法是直接禁止指令重排和处理器优化。然而,synchronized并不能做到这一点。那么为什么我们还说synchronized提供了有序性保证呢?
这里需要对有序性的概念进行扩展。在Java程序中,天然的有序性可以总结为一句话:在同一个线程内观察,所有操作都是天然有 序的;而在不同线程中观察,所有操作都是无序的。
以上这句话也是《深入理解Java虚拟机》中的原句,但是对其理解可能需要进一步解释。周志明在书中没有详细解释。我简单扩展一下,这与as-if-serial语义有关。
as-if-serial语义指的是不管怎么重排序,单线程程序的执行结果都不能被改变。 编译器和处理器在优化时必须遵守as-if-serial语义。
简单来说,as-if-serial语义保证了在单线程中,指令重排是有一定限制的。只要编译器和处理器都遵守了这个语义,我们可以认为单线程程序是按照顺序执行的。实际上虽然仍然有重排,但我们不需要关心这种重排对结果的干扰。
因此,由于synchronized修饰的代码只能被同一线程访问,也就是只有单线程执行,所以可以保证其有序性。