volatile与ReentrantLock详解
volatile
上节我们讲了通过Synchronized可以到方法和代码块进行同步。而用volatile修饰的变量，线程在每次使用变量的时候，都会读取变量修改后的最新的值。volatile很容易被误用，使用它并不能保证操作的原子性。volatile还会禁止指令排序。
我们先进行一个简单的高并发测试
public class Counter {
public static int count = 0;
public static void inc() {
//休眠1秒
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
}
count++;
}
public static void main(String[] args) {
//同时启动1000个线程，去进行i++计算，看看实际结果
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Counter.inc();
}
}).start();
}
//这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
System.out.println("运行结果:Counter.count=" + Counter.count);
}
}
//运行结果:Counter.count=978这里我们直到count++不是一个原子操作，所以存在多线程安全问题，所以最后的结果不是1000。如果我们用volatile修饰counter变量呢？
public class Counter {
public volatile static int count = 0;
public static void inc() {
//休眠1秒
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
}
count++;
}
public static void main(String[] args) {
//同时启动1000个线程，去进行i++计算，看看实际结果
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Counter.inc();
}
}).start();
}
//这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000
System.out.println("运行结果:Counter.count=" + Counter.count);
}
}
//运行结果:Counter.count=978jvm中有一个内存区域虚拟机栈，每一个线程运行时都有一个线程栈，线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。
read and load 从主存复制变量到当前工作内存
use and assign 执行代码，改变共享变量值
store and write 用工作内存数据刷新主存相关内容
其中use and assign 可以多次出现
但是这一些操作并不是原子性，也就是在read and load之后，如果主内存count变量发生修改之后，线程工作内存中的值由于已经加载，不会产生对应的变化，所以计算出来的结果会和预期不一样。对于volatile修饰的变量，jvm虚拟机只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的。例如假如线程1读到count是4，线程2在进行read,load操作中，发现主内存中count的值都是5，那么线程1和线程2都会加载这个最新的值，在线程1对count进行修改之后，会write到主内存中，主内存中的count变量就会变为6，线程2由于已经进行read,load操作，在进行运算之后，也会更新主内存count的变量值为6，导致两个线程即使用volatile关键字修改之后，还是会存在并发的情况，用volatile修饰后的变量不允许有不同于“主”内存区域的变量拷贝。volatile虽然保证了变量的可见性，但是并没有解决并发写的安全问题。如果不使用volatile关键词，那么各个线程的变量副本可以是不相同的。
使用volatile必须具备以下2个条件：
对变量的写操作不依赖于当前值
该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
两个例子
1.状态标记量
volatile boolean flag = false;
while(!flag){
doSomething();
}
public void setFlag() {
flag = true;
}
2.double check
class Singleton{
private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton() {
}
public static Singleton getInstance() {
if(instance==null) {
synchronized (Singleton.class) {
if(instance==null)
instance = new Singleton();
}
}
return instance;
}
}
ReentrantLock
ReentrantLock位于java.util.concurrent.locks包下，是Java并发包中互斥锁，它有公平锁和非公平锁两种实现方式。
使用示例
ReentrantLock takeLock = new ReentrantLock();
// 获取锁
takeLock.lock();
try {
// 业务逻辑
} finally {
// 释放锁
takeLock.unlock();
}
原理分析
ReentrantLock类实现了Lock和java.io.Serializable接口，其内部有一个实现锁功能的关键成员变量Sync类型的sync。
/** Synchronizer providing all implementation mechanics */
private final Sync sync;
/**
* Base of synchronization control for this lock. Subclassed
* into fair and nonfair versions below. Uses AQS state to
* represent the number of holds on the lock.
*/
abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
private static final long serialVersionUID = -5179523762034025860L;
/**
* Performs {@link Lock#lock}. The main reason for subclassing
* is to allow fast path for nonfair version.
*/
abstract void lock();
/**
* Performs non-fair tryLock. tryAcquire is
* implemented in subclasses, but both need nonfair
* try for trylock method.
*/
final boolean nonfairTryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0) // overflow
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
protected final boolean tryRelease(int releases) {
int c = getState() - releases;
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
setExclusiveOwnerThread(null);
}
setState(c);
return free;
}
protected final boolean isHeldExclusively() {
// While we must in general read state before owner,
// we don't need to do so to check if current thread is owner
return getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread();
}
final ConditionObject newCondition() {
return new ConditionObject();
}
// Methods relayed from outer class
final Thread getOwner() {
return getState() == 0 ? null : getExclusiveOwnerThread();
}
final int getHoldCount() {
return isHeldExclusively() ? getState() : 0;
}
final boolean isLocked() {
return getState() != 0;
}
/**
* Reconstitutes this lock instance from a stream.
* @param s the stream
*/
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
s.defaultReadObject();
setState(0); // reset to unlocked state
}
}
Sync在ReentrantLock中有两种实现类：NonfairSync、FairSync，正好对应了ReentrantLock的非公平锁、公平锁两大类型。
/**
* Sync object for non-fair locks
*/
static final class NonfairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = 7316153563782823691L;
/**
* Performs lock. Try immediate barge, backing up to normal
* acquire on failure.
*/
final void lock() {
if (compareAndSetState(0, 1))
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
else
acquire(1);
}
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
return nonfairTryAcquire(acquires);
}
}
/**
* Sync object for fair locks
*/
static final class FairSync extends Sync {
private static final long serialVersionUID = -3000897897090466540L;
final void lock() {
acquire(1);
}
/**
* Fair version of tryAcquire. Don't grant access unless
* recursive call or no waiters or is first.
*/
protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
final Thread current = Thread.currentThread();
int c = getState();
if (c == 0) {
if (!hasQueuedPredecessors() &&
compareAndSetState(0, acquires)) {
setExclusiveOwnerThread(current);
return true;
}
}
else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
int nextc = c + acquires;
if (nextc < 0)
throw new Error("Maximum lock count exceeded");
setState(nextc);
return true;
}
return false;
}
}
ReentrantLock的默认实现为非公平锁,也可以通过另外一个构造方法指定锁的实现方式public ReentrantLock(boolean fair)
ReentrantLock并不是一种替代内置加锁的方法，而是作为一种可选择的高级功能。
相比于synchronized，ReentrantLock在功能上更加丰富，它具有可重入、可中断、可限时、公平锁等特点。
参考文献：
java中volatile关键字的含义
Java并发编程：volatile关键字解析
Java并发之ReentrantLock详解
ReentranLock的使用
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