Java并发基础之互斥同步、非阻塞同步、指令重排与volatile

简介: 在Java中,多线程编程常常涉及到共享数据的访问,这时候就需要考虑线程安全问题。Java提供了多种机制来实现线程安全,其中包括互斥同步(Mutex Synchronization)、非阻塞同步(Non-blocking Synchronization)、以及volatile关键字等。互斥同步(Mutex Synchronization)互斥同步是一种基本的同步手段,它要求在任何时刻,只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块,其他线程必须等待。Java中的synchronized关键字就是实现互斥同步的常用手段。当一个线程进入一个synchronized方法或代码块时,它需要先获得锁,如果

在Java中,多线程编程常常涉及到共享数据的访问,这时候就需要考虑线程安全问题。Java提供了多种机制来实现线程安全,其中包括互斥同步(Mutex Synchronization)、非阻塞同步(Non-blocking Synchronization)、以及volatile关键字等。

互斥同步(Mutex Synchronization)

互斥同步是一种基本的同步手段,它要求在任何时刻,只有一个线程可以执行某个方法或某个代码块,其他线程必须等待。Java中的synchronized关键字就是实现互斥同步的常用手段。当一个线程进入一个synchronized方法或代码块时,它需要先获得锁,如果锁已被其他线程占用,则该线程需要等待。一旦锁被释放,等待的线程就可以获取锁并执行同步代码。

互斥同步主要涉及到两个关键方面:互斥(Mutual Exclusion)和同步(Synchronization)。

互斥(Mutual Exclusion)

互斥是指确保某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问,具有唯一性和排他性。这意味着如果有多个线程或进程试图同时访问同一资源,只有一个能够成功,其他的必须等待直到资源被释放。互斥的主要目的是防止数据不一致和冲突,确保资源在任何时刻都只被一个线程或进程访问。

同步(Synchronization)

同步是互斥的一个扩展,它在互斥的基础上增加了对访问者访问资源的顺序控制。同步机制通过其他手段(如锁、信号量等)实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下,同步已经实现了互斥,特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。

实现方式

实现互斥同步的常见方式是使用锁(如互斥锁、读写锁等)。当一个线程或进程需要访问共享资源时,它必须先获得锁。如果锁已经被其他线程或进程占用,则该线程或进程必须等待,直到锁被释放。通过这种方式,可以确保对共享资源的互斥访问,并且可以控制访问者的访问顺序。

互斥同步虽然简单易用,但在高并发场景下,它可能导致线程阻塞,从而降低程序的性能。

非阻塞同步(Non-blocking Synchronization)

非阻塞同步是一种不依赖锁或其他阻塞操作的同步手段。它通常依赖于原子操作(如Java中的AtomicIntegerAtomicLong等)或其他的并发容器(如ConcurrentHashMapCopyOnWriteArrayList等)来实现。非阻塞同步的主要目标是避免线程在等待资源或同步操作时发生阻塞,从而提高程序的并发性和性能。

核心思想

非阻塞同步的核心思想是在多线程环境中,不使用阻塞等待的方式来实现同步控制。线程在尝试访问共享资源或执行同步操作时,如果资源不可用或条件不满足,不会进入阻塞状态,而是立即返回并继续执行其他任务。这样,线程可以一直保持计算操作,不会被阻塞,从而提高了系统的吞吐量和响应能力。

实现方式

非阻塞同步的实现通常依赖于原子操作和比较并交换(Compare-And-Swap,CAS)指令。原子操作是不可被中断的、不可被分割的单个操作,它们要么全部执行成功,要么全部失败回滚。CAS指令是一种特殊的原子操作,它会比较内存中的值和一个预期值,如果相同则用新值替换原来的值,并返回替换前的值。通过使用CAS指令,可以实现对共享变量的非阻塞读写操作,从而实现非阻塞同步。

相比阻塞同步的优势与劣势

优势:

更好的性能:由于线程在等待资源或同步操作时不会阻塞,可以更有效地利用CPU资源,提高程序的并发性和吞吐量。

更好的可扩展性:非阻塞同步通常适用于高并发场景,可以更好地应对大量线程同时访问共享资源的情况。

劣势:

实现复杂:非阻塞同步需要使用原子操作和CAS指令等复杂机制来实现,相比于简单的阻塞同步来说,实现起来更加复杂。

对硬件支持有要求:非阻塞同步的实现通常需要硬件对原子操作和CAS指令的支持,这可能会限制其在某些平台或设备上的使用。

应用场景

非阻塞同步适用于对性能要求较高、需要处理大量并发请求的场景,如高性能服务器、分布式系统、大数据处理等领域。在这些场景中,使用非阻塞同步可以提高系统的吞吐量和响应能力,从而满足高并发、低延迟的需求。

指令重排(Instruction Reordering)

在现代计算机中,为了提高性能,处理器可能会对输入代码进行优化,其中包括指令重排。指令重排是指处理器可以改变程序中指令的执行顺序,但这种改变不会影响单线程程序的执行结果。然而,在多线程环境中,指令重排可能导致一些意料之外的结果,例如可见性问题和有序性问题。

指令重排的目的

现代CPU为了提高执行效率,采用了多种优化手段,其中之一就是指令重排。由于CPU的指令执行速度非常快,而内存的访问速度相对较慢,因此CPU通常会使用缓存(Cache)来存储最近访问过的数据。指令重排的主要目的是为了减少CPU对内存的访问次数,提高Cache的命中率,从而提高程序的执行效率。

指令重排的原理

编译器和CPU本身会对指令做一些优化,改变指令的执行顺序。在不改变最终结果的前提下,它们会重新排序指令的执行顺序,使得一些数据能够提前被加载到Cache中,或者使得一些计算能够提前完成。这种重排对于单线程程序来说通常是透明的,因为最终的结果没有改变。

指令重排与并发编程

然而,在并发编程中,指令重排可能会导致一些问题。当多个线程同时访问共享变量时,由于指令重排的存在,一个线程对共享变量的修改可能不会被其他线程立即看到,这就导致了内存可见性的问题。另外,指令重排还可能导致一些看似无关的操作之间产生依赖关系,从而破坏了原有的操作顺序,这称为有序性问题。

Java禁止在volatile变量的写操作和任何后续读操作之间进行重排序,也禁止在volatile变量的读操作和任何后续写操作之间进行重排序。这就是volatile关键字能够确保可见性和有序性的原因。

volatile关键字

volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制。它主要确保两个特性:可见性和有序性。

可见性:当一个线程修改了一个volatile变量的值,新值对其他线程来说是立即可见的。这是因为volatile关键字禁止了指令重排,确保了修改操作会立即写入主内存,并且后续读操作会立即从主内存中读取。

有序性volatile关键字还禁止了在volatile变量的写操作和任何后续读操作之间进行重排序,以及在volatile变量的读操作和任何后续写操作之间进行重排序。这确保了volatile变量的读写操作的有序性。

虽然volatile可以提供可见性和有序性,但它并不能保证原子性。因此,对于复杂的同步需求,通常需要使用synchronized或其他的同步机制。

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