1 同步是什么

資源共享的兩個(gè)原因是資源緊缺和共建需求莺掠。線程共享CPU是從資源緊缺的維度來(lái)考慮的衫嵌，而多線程共享同一變量，通常是從共建需求的維度來(lái)考慮的彻秆。在多個(gè)線程對(duì)同一變量進(jìn)行寫操作時(shí)楔绞，如果操作沒(méi)有原子性，就可能產(chǎn)生臟數(shù)據(jù)唇兑。所謂原子性是指不可分割的一系列操作指令酒朵，在執(zhí)行完畢前不會(huì)被任何其他操作中斷，要么全部執(zhí)行扎附，要么全部不執(zhí)行蔫耽。如果每個(gè)線程的修改都是原子操作，就不存在線程同步問(wèn)題帕棉。有些看似非常簡(jiǎn)單的操作其實(shí)不具備原子性针肥，典型的就是i++操作，它需要分為三步香伴，即ILOAD->IINC->ISTORE慰枕。另一方面，更加復(fù)雜的CAS（Compare And）操作卻具有原子性即纲。

計(jì)算機(jī)的形成同步具帮，就是線程之間按某種機(jī)制協(xié)調(diào)先后次序執(zhí)行，當(dāng)有一個(gè)線程在對(duì)內(nèi)存進(jìn)行操作時(shí)低斋，其他線程都不可以對(duì)這個(gè)內(nèi)存地址進(jìn)行操作蜂厅，直到該線程完成操作。實(shí)現(xiàn)線程同步的方式有很多膊畴，比如同步方法掘猿、鎖、阻塞隊(duì)列等唇跨。

2 volatile

先從happen before了解線程操作的可見(jiàn)性稠通。把happen before定義為方法hb(a,b)衬衬，表示a happen before b。如果hb(a,b)且hb(b,c)改橘，能夠推導(dǎo)出hb(a,c)滋尉。類似于x>y且y>z，可以推導(dǎo)出x>z飞主。這不就是一種放之四海而皆準(zhǔn)的規(guī)律嗎狮惜？但其實(shí)很多場(chǎng)景并不符合這種規(guī)律，比如在2018年俄羅斯世界杯上碌识，韓國(guó)隊(duì)?wèi)?zhàn)勝德國(guó)隊(duì)碾篡，德國(guó)隊(duì)?wèi)?zhàn)勝瑞典隊(duì)，并不能推導(dǎo)出韓國(guó)隊(duì)?wèi)?zhàn)勝了瑞典隊(duì)丸冕。

線程執(zhí)行或線程切換都是納秒級(jí)的耽梅，執(zhí)行速度如此之快，直覺(jué)上會(huì)認(rèn)為線程本地緩存的必要性特別弱胖烛。做個(gè)類比眼姐，我們?nèi)祟愐阅隇橛?jì)而宇宙以億年為計(jì)，宇宙老人看待人類的心態(tài)不正如我們看待CPU世界的心態(tài)嗎佩番？時(shí)間成本的巨大差異只要存在众旗，緩存策略自然就會(huì)產(chǎn)生。再比如趟畏，去學(xué)校圖書(shū)館僅需要10分鐘贡歧，借一本書(shū)，無(wú)需緩存赋秀。但是如果去市圖書(shū)館利朵，往返需要5個(gè)小時(shí)，一般為了減少路程開(kāi)銷而會(huì)考慮多借幾本猎莲。CPU訪問(wèn)內(nèi)存遠(yuǎn)遠(yuǎn)比訪問(wèn)告訴緩存L1和L2慢得多绍弟，對(duì)應(yīng)借書(shū)的例子，應(yīng)該得去國(guó)外圖書(shū)館了著洼。

接著再談指令優(yōu)化樟遣。計(jì)算機(jī)并不會(huì)根據(jù)代碼順序按部就班地執(zhí)行相關(guān)指令，再回到借書(shū)的例子身笤，加入你剛好要去還書(shū)豹悬，然后再借一本，你的室友恰好也讓你幫他歸還Easy Coding這本書(shū)液荸，然后再借一本《碼出高效》瞻佛。這個(gè)過(guò)程有兩件事，你的事和他的事娇钱。先辦你的事涤久，再辦他的事涡尘，是一種單線程的死板行為忍弛。此時(shí)你會(huì)潛意識(shí)地進(jìn)行“指令優(yōu)化”：把你要還的數(shù)和Easy Coding先一起歸還响迂，再一起借你們要借的書(shū)，這就相當(dāng)于合并數(shù)據(jù)進(jìn)行存取的操作過(guò)程细疚。CPU在處理信息時(shí)也會(huì)進(jìn)行指令優(yōu)化蔗彤，分析哪些取數(shù)據(jù)動(dòng)作可以合并進(jìn)行，哪些存數(shù)據(jù)動(dòng)作可以合并進(jìn)行疯兼。CPU拜訪一趟遙遠(yuǎn)的內(nèi)存然遏，一定會(huì)到處看看，是否可以存取合并吧彪，以提高執(zhí)行效率待侵。指令重排示例代碼如下：

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happen before是時(shí)鐘順序的先后，并不能保證線程交互的可見(jiàn)性姨裸。在第2處和第3處都是寫操作秧倾，不會(huì)進(jìn)行指令重排，但是前三行是不互斥的傀缩，并且第1處的操作如果放在z=3賦值操作之后那先，明顯是效率最大化的處理方式。所以指令重排的最大可能是把第1處和第2處串聯(lián)一次執(zhí)行赡艰。Happen before并不能保證線程交互的可見(jiàn)性售淡。那么什么是可見(jiàn)性呢？可見(jiàn)性是指某線程修改共享變量的指令對(duì)其他線程來(lái)說(shuō)都是可見(jiàn)的慷垮，它反映的是指令執(zhí)行的實(shí)時(shí)透明度揖闸。

每個(gè)線程都有獨(dú)占的內(nèi)存區(qū)域，如操作棧料身、本地變量表等汤纸。線程本地內(nèi)存保存了引用變量在堆內(nèi)存中的副本，線程對(duì)變量的所有操作都在本地內(nèi)存區(qū)域中進(jìn)行惯驼，執(zhí)行結(jié)束后再同步到堆內(nèi)存中去蹲嚣。這里必然有一個(gè)時(shí)間差，在這個(gè)時(shí)間差內(nèi)祟牲，改線程對(duì)副本的操作隙畜，對(duì)于其他線程是不可見(jiàn)的。

Volatile的英文本義是“揮發(fā)说贝、不穩(wěn)定的”议惰，延伸意義為敏感的。當(dāng)使用volatile修飾變量時(shí)乡恕，意味著任何對(duì)此變量的操作都會(huì)在內(nèi)存中進(jìn)行言询，不會(huì)產(chǎn)生副本俯萎，以保證共享變量的可見(jiàn)性，局部阻止了指令重排的發(fā)生运杭。由此可見(jiàn)夫啊，在使用單例設(shè)計(jì)模式時(shí)，即使是雙檢鎖也不一定會(huì)拿到最新的數(shù)據(jù)辆憔。

如下示例代碼在高并發(fā)場(chǎng)景中會(huì)存在問(wèn)題：

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使用者在調(diào)用getTransactionService()時(shí)撇眯，有可能會(huì)得到初始化未完成的對(duì)象，究其原因虱咧，與java虛擬機(jī)的編譯優(yōu)化有關(guān)熊榛。對(duì)java虛擬機(jī)而言，初始化TransactionService實(shí)例和將對(duì)象地址寫到service字段并非原子操作腕巡，且這兩個(gè)階段的執(zhí)行順序是未定義的玄坦。假設(shè)某個(gè)線程執(zhí)行new TransactionService()時(shí)，構(gòu)造方法還未被調(diào)用绘沉，編譯器僅僅為該對(duì)象分配了內(nèi)存空間并設(shè)為默認(rèn)值煎楣，此時(shí)若另一個(gè)線程調(diào)用getTransactionService()方法，由于service梆砸！= null转质，但是此時(shí)service對(duì)象還沒(méi)有被賦予真正有效的值，從而無(wú)法獲取到正確的service單例對(duì)象帖世。這就是著名的雙重檢查鎖定（Doubble-checked Locking）問(wèn)題休蟹，對(duì)象引用在沒(méi)有同步的情況下進(jìn)行讀操作，導(dǎo)致用戶可能會(huì)獲取未構(gòu)造完成的對(duì)象日矫。對(duì)于此問(wèn)題赂弓，一種較為簡(jiǎn)單的解決方案是用volatile關(guān)鍵字修飾目標(biāo)屬性（適用于JDK5及以上版本），這樣service就限制了編譯器對(duì)它的相關(guān)讀寫操作哪轿，對(duì)它的讀寫操作進(jìn)行指令重排盈魁，確定對(duì)象實(shí)例化之后才返回引用。鎖也可以確保變量的可見(jiàn)性窃诉，但是實(shí)現(xiàn)方式和volatile略有不同杨耙。線程在得到鎖時(shí)讀入副本，釋放時(shí)寫回內(nèi)存飘痛，鎖的操作尤其要符合happen before原則珊膜。

Volatile解決的是多線程共享變量的可見(jiàn)性問(wèn)題，類似于synchronized宣脉，但不具備synchronized的互斥性车柠。所以對(duì)volatile變量的操作并非都具有原子性，這是一個(gè)容易犯錯(cuò)誤的地方。一個(gè)線程對(duì)共享變量進(jìn)行10000次i++操作竹祷，另一個(gè)線程進(jìn)行10000次i--操作谈跛，如下示例代碼：

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多次執(zhí)行后，發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本都不為0.如果在count++和count--兩處都進(jìn)行加鎖操作塑陵，才會(huì)得到預(yù)期是0的結(jié)果感憾。這里對(duì)count的讀取、加1操作的字節(jié)碼如下：

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因此瓦胎，“volatile是輕量級(jí)的同步方式”這種說(shuō)法是錯(cuò)誤的芬萍。它只是輕量級(jí)的線程操作可見(jiàn)方式，并非同步方式搔啊，如果是多寫場(chǎng)景柬祠，一定會(huì)產(chǎn)生線程安全問(wèn)題。如果是一寫多讀的并發(fā)場(chǎng)景负芋，使用volatile修飾變量則非常合適漫蛔。Volatile一寫多讀最典型的應(yīng)用時(shí)CopyOnWriteArrayList。它在修改數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)把整個(gè)集合的數(shù)據(jù)全部復(fù)制出來(lái)旧蛾，對(duì)寫操作加鎖莽龟，修改完成后，再用setArray()把a(bǔ)rray指向新的集合锨天。使用volatile可以使讀線程盡快地感知array的修改毯盈，不進(jìn)行指令重排，操作后即可對(duì)其他線程可見(jiàn)病袄。源碼如下：

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在實(shí)際業(yè)務(wù)中搂赋，如何清晰地判斷一寫多讀的場(chǎng)景顯得尤為重要。如果不確定共享變量是否會(huì)被多個(gè)線程并發(fā)寫益缠，保險(xiǎn)的做法是使用同步代碼塊來(lái)實(shí)現(xiàn)線程同步脑奠。另外，因?yàn)樗械牟僮鞫夹枰浇o內(nèi)存變量左刽，所以volatile一定會(huì)使線程的執(zhí)行速度變慢捺信，故要審慎定義和使用volatile屬性。

3信號(hào)量同步

信號(hào)量同步是指在不同的線程之間，通過(guò)傳遞同步信號(hào)量來(lái)協(xié)調(diào)線程執(zhí)行的先后次序迄靠。這里重點(diǎn)分析基于時(shí)間維度和信號(hào)維度的兩個(gè)類：CountDownLatch秒咨、Semaphore。

某國(guó)際化基礎(chǔ)語(yǔ)言管理平臺(tái)收到一個(gè)多語(yǔ)言翻譯請(qǐng)求后掌挚，根據(jù)目標(biāo)語(yǔ)種拆分成多個(gè)子線程雨席，對(duì)翻譯引擎發(fā)起翻譯請(qǐng)求。翻譯完成后吠式，同步返回給調(diào)用方陡厘，結(jié)果由于countDown()拋出異常，導(dǎo)致發(fā)生故障特占，警示代碼如下：

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代碼中第1處拋出異常糙置，且該異常沒(méi)有被主線程try-catch到，最終該線程沒(méi)有執(zhí)行countDown()方法是目。程序執(zhí)行的時(shí)間較長(zhǎng)谤饭，該問(wèn)題難以定位，因?yàn)楫惓１煌痰靡桓啥舭媚伞U(kuò)展說(shuō)明一下揉抵，子線程異常可以通過(guò)線程方法setUncaughtExceptionHandler()捕獲嗤疯。

CountDownLatch是基于執(zhí)行時(shí)間的同步類冤今。在實(shí)際編碼中，可能需要處理基于空閑信號(hào)的同步情況茂缚。比如海關(guān)安檢的場(chǎng)景戏罢，任何國(guó)家公民在出國(guó)時(shí)，都要走海關(guān)的查驗(yàn)通道阱佛。假設(shè)某機(jī)場(chǎng)的海關(guān)通道共有三個(gè)窗口帖汞，一批需要出關(guān)的人排成長(zhǎng)隊(duì)，每個(gè)人都是一個(gè)線程凑术。當(dāng)3個(gè)窗口中的任意一個(gè)出現(xiàn)空閑時(shí)翩蘸，工作人員指示隊(duì)列中第一個(gè)人出隊(duì)到該空閑窗口接收檢查。對(duì)于上述場(chǎng)景淮逊，JDK中提供了一個(gè)Semaphore的信號(hào)同步類催首，只有在調(diào)用Semaphore對(duì)象的acquire()成功后，才可以往下執(zhí)行泄鹏，完成后執(zhí)行release()釋放持有的信號(hào)量郎任，下一個(gè)線程就可以馬上獲取這個(gè)空閑信號(hào)量進(jìn)入執(zhí)行”缸眩基于Semaphore的示例代碼如下：

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如果某個(gè)人身份可疑舶治，需要確認(rèn)更多的信息分井，這不會(huì)影響到其他窗口的安檢速度。只要其他線程能夠拿到空閑信號(hào)霉猛，都可以馬上執(zhí)行尺锚。如果Semaphore的窗口信號(hào)量等于2，就是最典型的互斥鎖惜浅。

還有其他同步方式瘫辩，如CyclicBarrier是基于同步到達(dá)某個(gè)點(diǎn)的信號(hào)量觸發(fā)機(jī)制。CyclicBarrier從命名上即可知道它是一個(gè)可以循環(huán)使用（Cyclic）的屏障式（Barrier）多線程協(xié)作方式坛悉。采用這種方式進(jìn)行剛才的安檢服務(wù)伐厌，就是3個(gè)人同時(shí)進(jìn)去，只有3個(gè)人都完成安檢裸影，才會(huì)放下一批進(jìn)來(lái)挣轨。這是一種非常低效的安檢方式。但在某種場(chǎng)景下就是非常正確的方式空民，假設(shè)在機(jī)場(chǎng)排隊(duì)打車時(shí)刃唐，現(xiàn)場(chǎng)工作人員統(tǒng)一指揮，每次放3輛車進(jìn)來(lái)界轩，坐滿后開(kāi)走，再放下一批車和人進(jìn)來(lái)衔瓮。通過(guò)CyclicBarrier的reset()來(lái)釋放線程資源浊猾。

最后溫馨提示，無(wú)論從性能還是安全性上考慮热鞍，我們進(jìn)來(lái)使用并發(fā)包中提供的信號(hào)同步類葫慎，避免使用對(duì)象的wait()和notify()方式來(lái)進(jìn)行同步。