volitile、synchronized、ThreadLocal关键字

杨大大...大约 9 分钟

1.volitile关键字原理

1.1简述Java内存模型：

Java内存模型分为主内存和线程工作内存两大类。

  • 主内存： 多个线程共享的内存。如下图所示，方法区和堆属于主内存区域。
  • 线程工作内存： 每个线程独享的内存。如下图所示，虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器属于线程独享的工作内存。

Java内存模型规定：所有变量都需要存储在主内存中，线程工作内存保存了变量在主内存中的副本，线程对变量的所有操作都在工作内存中进行，执行结束后在同步到主内存中去。这里必然会存在时间差，在这个时间差内，该线程对副本的操作，对于其他线程是不见的，从而造成了可见性问题。

1.2volatile的作用：

  • 保证共享变量的可见性： 使用volatile修饰的变量，任何线程对其进行操作都是在主内存中进行的，不会产生副本，从而保证共享变量的可见性。
  • 防止局部指令重排序： happens-before规则中的volatile变量规则规定了一个线程先去写一个volatile变量，然后一个线程去读这个变量，那么这个写操作的结果一定对读的这个线程可见。
  • **保证原子性:单次读/写：**volatile不能保证完全的原子性，只能保证单次的读/写操作具有原子性。

1.3volatile如何防止指令重排序：

volatile是通过内存屏障来防止指令重排序的。

硬件层面的内存屏障分为Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障。

  • 对于Load Barrier来说，在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制重新从主内存加载数据。
  • 对于Store Barrier来说，在指令后插入Store Barrier，能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，让其他线程可见。

Java内存屏障类型把上述两种内存屏障两两组合，如下图所示：

volatile防止指令重排序具体步骤：

  • 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
  • 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

1.4volatile总结：

volatile解决的是多线程共享变量可见性问题，但是被volatile修饰的变量操作并非具有原子性。

参考：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAxNTE2NjEyMw==&mid=2247483734&idx=1&sn=8509d4aa61d08550c2b7668314da3582&chksm=9b897e92acfef7846cd7dcac24d46c05ef0fabe5187befa0216b986f232d681c948b9deba26e&scene=27open in new window

2.synchronized原理

在应用Sychronized关键字时需要把握如下注意点：

  • 一把锁只能同时被一个线程获取，没有获得锁的线程只能等待；
  • 每个实例都对应有自己的一把锁(this),不同实例之间互不影响；例外：锁对象是*.class以及synchronized修饰的是static方法的时候，所有对象公用同一把锁
  • synchronized修饰的方法，无论方法正常执行完毕还是抛出异常，都会释放锁

2.1synchronized 同步语句块的情况:

代码块形式：手动指定锁定对象，可以是this,也可以是自定义的锁。

public class SynchronizedDemo {
    public void method() {
        synchronized (this) {
            System.out.println("synchronized 代码块");
        }
    }
}

通过 JDK 自带的 javap 命令查看 SynchronizedDemo 类的相关字节码信息：首先切换到类的对应目录执行 javac SynchronizedDemo.java 命令生成编译后的 .class 文件，然后执行javap -c -s -v -l SynchronizedDemo.class。

从上面我们可以看出：synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。

上面的字节码中包含一个 monitorenter 指令以及两个 monitorexit 指令，这是为了保证锁在同步代码块代码正常执行以及出现异常的这两种情况下都能被正确释放。

当执行 monitorenter 指令时，线程试图获取锁也就是获取对象监视器 monitor 的持有权。

在 Java 虚拟机(HotSpot)中，Monitor 是基于 C++实现的，由ObjectMonitor实现的。每个对象中都内置了一个 ObjectMonitor对象。

另外，wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常的原因。

在执行monitorenter时，会尝试获取对象的锁，如果锁的计数器为 0 则表示锁可以被获取，获取后将锁计数器设为 1 也就是加 1。

对象锁的的拥有者线程才可以执行 monitorexit 指令来释放锁。在执行 monitorexit 指令后，将锁计数器设为 0，表明锁被释放，其他线程可以尝试获取锁。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外一个线程释放为止。

2.2synchronized 修饰方法的的情况:

方法锁形式：synchronized修饰普通方法，锁对象默认为this；synchronize修饰静态的方法或指定锁对象为Class对象。

public class SynchronizedDemo2 {
    public synchronized void method() {
        System.out.println("synchronized 方法");
    }
}

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的确实是 ACC_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是一个同步方法。JVM 通过该 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别一个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。

如果是实例方法，JVM 会尝试获取实例对象的锁。如果是静态方法，JVM 会尝试获取当前 class 的锁。

2.3总结:

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中 monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置，monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的确实是 ACC_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是一个同步方法。

不过两者的本质都是对对象监视器 monitor 的获取。

参考：https://javaguide.cn/java/concurrent/java-concurrent-questions-02.html#synchronized-底层原理了解吗；https://pdai.tech/md/java/thread/java-thread-x-key-synchronized.html#synchronized的使用open in new window

3.ThreadLocal原理

3.1ThreadLocal 有什么用？

通常情况下，我们创建的变量是可以被任何一个线程访问并修改的。如果想实现每一个线程都有自己的专属本地变量该如何解决呢？

JDK 中自带的ThreadLocal类正是为了解决这样的问题。 ThreadLocal类主要解决的就是让每个线程绑定自己的值，可以将ThreadLocal类形象的比喻成存放数据的盒子，盒子中可以存储每个线程的私有数据。

如果你创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的本地副本，这也是ThreadLocal变量名的由来。他们可以使用 get() 和 set() 方法来获取默认值或将其值更改为当前线程所存的副本的值，从而避免了线程安全问题。

总结而言：ThreadLocal是一个将在多线程中为每一个线程创建单独的变量副本的类; 当使用ThreadLocal来维护变量时, ThreadLocal会为每个线程创建单独的变量副本, 避免因多线程操作共享变量而导致的数据不一致的情况。

3.2原理：

源码：

public class Thread implements Runnable {
    //......
    //与此线程有关的ThreadLocal值。由ThreadLocal类维护
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

    //与此线程有关的InheritableThreadLocal值。由InheritableThreadLocal类维护
    ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
    //......
}

从上面Thread类源代码可以看出Thread 类中有一个 threadLocals 和 一个 inheritableThreadLocals 变量，它们都是 ThreadLocalMap 类型的变量,我们可以把 ThreadLocalMap 理解为ThreadLocal 类实现的定制化的 HashMap。默认情况下这两个变量都是 null，只有当前线程调用 ThreadLocal 类的 set或get方法时才创建它们，实际上调用这两个方法的时候，我们调用的是ThreadLocalMap类对应的 get()、set()方法。

ThreadLocal类的set()方法：

public void set(T value) {
    //获取当前请求的线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    //取出 Thread 类内部的 threadLocals 变量(哈希表结构)
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        // 将需要存储的值放入到这个哈希表中
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap threadLocals = getMap(t);
    if (threadLocals != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = threadLocals.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}


ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
    return t.threadLocals;
}

通过上面这些内容，我们足以通过猜测得出结论：最终的变量是放在了当前线程的 ThreadLocalMap 中，并不是存在 ThreadLocal 上，ThreadLocal 可以理解为只是ThreadLocalMap的封装，传递了变量值。 ThrealLocal 类中可以通过Thread.currentThread()获取到当前线程对象后，直接通过getMap(Thread t)可以访问到该线程的ThreadLocalMap对象。

每个Thread中都具备一个ThreadLocalMap，而ThreadLocalMap可以存储以ThreadLocal为 key ，Object 对象为 value 的键值对。

ThreadLocalMap(ThreadLocal<?> firstKey, Object firstValue) {
    //......
}

比如我们在同一个线程中声明了两个 ThreadLocal 对象的话， Thread内部都是使用仅有的那个ThreadLocalMap 存放数据的，ThreadLocalMap的 key 就是 ThreadLocal对象，value 就是 ThreadLocal 对象调用set方法设置的值。

3.3ThreadLocal造成内存泄露的问题

网上有这样一个例子：

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ThreadLocalDemo {
    static class LocalVariable {
        private Long[] a = new Long[1024 * 1024];
    }

    // (1)
    final static ThreadPoolExecutor poolExecutor = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 1, TimeUnit.MINUTES,
            new LinkedBlockingQueue<>());
    // (2)
    final static ThreadLocal<LocalVariable> localVariable = new ThreadLocal<LocalVariable>();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // (3)
        Thread.sleep(5000 * 4);
        for (int i = 0; i < 50; ++i) {
            poolExecutor.execute(new Runnable() {
                public void run() {
                    // (4)
                    localVariable.set(new LocalVariable());
                    // (5)
                    System.out.println("use local varaible" + localVariable.get());
                    localVariable.remove();
                }
            });
        }
        // (6)
        System.out.println("pool execute over");
    }
}

如果用线程池来操作ThreadLocal 对象确实会造成内存泄露, 因为对于线程池里面不会销毁的线程, 里面总会存在着<ThreadLocal, LocalVariable>的强引用, 因为final static 修饰的 ThreadLocal 并不会释放, 而ThreadLocalMap 对于 Key 虽然是弱引用, 但是强引用不会释放, 弱引用当然也会一直有值, 同时创建的LocalVariable对象也不会释放, 就造成了内存泄露; 如果LocalVariable对象不是一个大对象的话, 其实泄露的并不严重, 泄露的内存 = 核心线程数 * LocalVariable对象的大小;

所以, 为了避免出现内存泄露的情况, ThreadLocal提供了一个清除线程中对象的方法, 即 remove, 其实内部实现就是调用 ThreadLocalMap 的remove方法:

private void remove(ThreadLocal<?> key) {
    Entry[] tab = table;
    int len = tab.length;
    int i = key.threadLocalHashCode & (len-1);
    for (Entry e = tab[i];
         e != null;
         e = tab[i = nextIndex(i, len)]) {
        if (e.get() == key) {
            e.clear();
            expungeStaleEntry(i);
            return;
        }
    }
}
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