小编带您Volatile的详解-创新互联

volatile关键字修饰的共享变量主要有两个特点:1.保证了不同线程访问的内存可见性 2.禁止重排序
在说内存可见性和有序性之前,我们有必要看一下Java的内存模型(注意和JVM内存模型的区分)
为什么要有java内存模型?
首先我们知道内存访问和CPU指令在执行速度上相差非常大,完全不是一个数量级,为了使得java在各个平台上运行的差距减少,哪些搞处理器的大佬就在CPU上加了各种高速缓存,来减少内存操作和CPU指令的执行速度差距。而Java在java层面又进行了一波抽象,java内存模型将内存分为工作内存和主存,每个线程从主存load数据到工作内存,将load的数据赋值给工作内存上的变量,然后该工作内存对应的线程进行处理,处理结果在赋值给其工作内存,然后再将数据赋值给主存中的变量(这时候需要有一张图)。
小编带您Volatile的详解
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使用工作内存和主存虽然加快了处理速度,但是也带来了一些问题,比如下面这个例子
1 int i = 1;
2 i = i+1;
当在单线程情况下,i最后的值一定是2;但是在两个线程情况下一定是3吗?那就未必了。当线程A读取i的值为1,load到其工作内存,这时CPU切换至线程B,线程B读取i的值也是1,然后对加1然后save到主存,这时线程A也对i进行加1,也save回主存,但最终i的值为2。如果写操作比较慢,你读到的值还有可能是1,这就是缓存不一致的问题。JMM就是围绕着原子性,内存可见性,有序性这三个特征建立的。通过解决这个三个特征来解决缓存不一致的问题。而volatile主要针对于内存可见性和有序性。
原子性
原子性是指一个操作要么成功,那么失败,没有中间状态,比如i=1,直接读取i的值,这肯定是原子操作;但是i++,看似好像是,其实需要先读取i的值,然后+1,最后在赋值给i,需要三个步骤,这就不是原子性操作。在JDK1.5引入了boolean、long、int对应的原子性类AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicInteger,他们可以提供原子性操作。
内存可见性
具有内存可见性的变量在被线程修改以后,会立刻刷新到主存并使其他线程的缓存行上的数据失效。
volatile修饰的变量具有内存可见性,主要表现为:当写一个volatile变量时,JMM会将该线程对应的工作内存中的共享变量立即刷新到主存;当读一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的工作内存中的值置为无效,然后从主存中进行读取,但是如果没有线程对该共享变量进行修改,则不会触发该操作。
有序性
JMM是允许处理器和编译器对指令进行重排序的,但规定了as-if-serial,即无论怎么重排序,最终结果都是一样的。比如下面这段代码:
1 int weight = 10; //A
2 int high = 5; //B
3 int area = high weight high; //C
这段代码中可以按照A-->B-->C执行,也可以按照B-->A-->C执行,因为A和B是相互独立的,而C依赖于A、B,所以C不能排到A或B的前面。JMM保证了单线程的重排序,但是在多线程中就容易出现问题。比如下面这种情况
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1 boolean flag = false;
2 int a = 0;
4 public void write(){
5 int a = 2; //1
6 flag = true; //2
7 }
8 public void multiply(){
9 if(flag){ //3
10 int ret = a * a ; //4
11 }
12 }
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如果有两个线程执行上面的代码,线程1先执行write方法,随后线程2执行multiply方法。最后结果一定是4吗,不一定。
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如图,JMM对1和2进行了重排序,先将flag设置为true,这是线程2执行,由于a还没有赋值,所以最后ret的值为0;
如果使用volatile关键字修饰flag,禁止重排序,可以保证程序的有序性,也可以使用synchronized或者lock这种重量级锁来保证有序性,但性能会下降。
另外,JMM具备一些先天的有序性,即不需要通过任何手段就可以保证的有序性,通常称为happens-before原则。<>定义了如下happens-before规则:
第1条规则程序顺序规则是说在一个线程里,所有的操作都是按顺序的,但是在JMM里其实只要执行结果一样,是允许重排序的,这边的happens-before强调的重点也是单线程执行结果的正确性,但是无法保证多线程也是如此。
第2条规则监视器规则其实也好理解,就是在加锁之前,确定这个锁之前已经被释放了,才能继续加锁。
第3条规则,就适用到所讨论的volatile,如果一个线程先去写一个变量,另外一个线程再去读,那么写入操作一定在读操作之前。
第4条规则,就是happens-before的传递性。
需要注意的是,被volatile修饰的共享变量只满足内存可见性和禁止重排序,并不能保证原子性。比如volatile i++。
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1 public class Test {
2 public volatile int inc = 0;
4 public void increase() {
5 inc++;
6 }
8 public static void main(String[] args) {
9 final Test test = new Test();
10 for(int i=0;i<10;i++){
11 new Thread(){
12 public void run() {
13 for(int j=0;j<1000;j++)
14 test.increase();
15 };
16 }.start();
17 }
18
19 while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完
20 Thread.yield();
21 System.out.println(test.inc);
22 }
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按道理来说结果是10000,但是运行下很可能是个小于10000的值。有人可能会说volatile不是保证了可见性啊,一个线程对inc的修改,另外一个线程应该立刻看到啊!可是这里的操作inc++是个复合操作啊,包括读取inc的值,对其自增,然后再写回主存。
假设线程A,读取了inc的值为10,这时候被阻塞了,因为没有对变量进行修改,触发不了volatile规则。
线程B此时也读读inc的值,主存里inc的值依旧为10,做自增,然后立刻就被写回主存了,为11。
此时又轮到线程A执行,由于工作内存里保存的是10,所以继续做自增,再写回主存,11又被写了一遍。所以虽然两个线程执行了两次increase(),结果却只加了一次。
有人说,volatile不是会使缓存行无效的吗?但是这里线程A读取到线程B也进行操作之前,并没有修改inc值,所以线程B读取的时候,还是读的10。
又有人说,线程B将11写回主存,不会把线程A的缓存行设为无效吗?但是线程A的读取操作已经做过了啊,只有在做读取操作时,发现自己缓存行无效,才会去读主存的值,所以这里线程A只能继续做自增了。
综上所述,在这种复合操作的情景下,原子性的功能是维持不了了。但是volatile在上面那种设置flag值的例子里,由于对flag的读/写操作都是单步的,所以还是能保证原子性的。
要想保证原子性,只能借助于synchronized,Lock以及并发包下的atomic的原子操作类了,即对基本数据类型的 自增(加1操作),自减(减1操作)、以及加法操作(加一个数),减法操作(减一个数)进行了封装,保证这些操作是原子性操作。
volatile底层原理
如果将使用volatile修饰的代码和未使用volatile修饰的代码都编译成汇编语言,会发现,使用volatile修饰的代码会多出一个lock前缀指令。
lock前缀指令相当于一个内存屏障,内存屏障的作用有以下三点:
①重排序时,不能把内存屏障后面的指令排序到内存屏障前
②使得本CPU的cache写入内存
③写入动作会引起其他CPU缓存或内核的数据无效,相当于修改对其他线程可见。
volatile的应用场景
因为volatile对复合操作无效,所以volatile修饰像上面例子中的flag这样的只会发生读/写的标记型字段。
在单利模式中,volatile还可以修饰成员变量,防止初始化时的指令重排序。
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1 class Singleton{
2 private volatile static Singleton instance= null;
4 private Singleton(){
6 }
8 public static Singleton getInstance(){
9 if(instance==null){
10 synchronized(Singleton.class){
11 if(instance==null){
12 instance = new Singleton();
13 }
14 }
15 }
16 return instance;
17 }
18 } 小编每天会定期更新论文及视频,希望大家多多关注与支持 每天晚上20:00会在腾讯课堂上分享免费往期干货QQ:561487941

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