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你真的了解volatile关键字吗?

发布时间:2019-07-07 18:06 来源:未知 编辑:admin

  volatile关键字经常在并发编程中使用,其特性是保证可见性以及有序性,但是关于volatile的使用仍然要小心,这需要明白volatile关键字的特性及实现的原理,这也是本篇文章的主要内容。

  想要理解volatile为什么能确保可见性,就要先理解Java中的内存模型是什么样的。

  Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程中还有自己的工作内存,线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量(这些变量是从主内存中拷贝而来)。线程对变量的所有操作(读取,赋值)都必须在工作内存中进行。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。

  执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操作,然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。

  比如同时有2个线程执行这段代码,假如初始时i的值为10,那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为12。但是事实会是这样吗?

  可能存在下面一种情况:初始时,两个线程分别读取i的值存入各自所在的工作内存当中,然后线操作,然后把i的最新值11写入到内存。此时线的工作内存当中i的值还是10,进行加1操作之后,i的值为11,然后线把i的值写入内存。

  最终结果i的值是11,而不是12。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

  在解决这个问题之前,我们要先了解并发编程的三大概念:原子性,有序性,可见性。

  原子性:即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。

  比如从账户A向账户B转1000元,那么必然包括2个操作:从账户A减去1000元,往账户B加上1000元。

  试想一下,如果这2个操作不具备原子性,会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后,操作突然中止。这样就会导致账户A虽然减去了1000元,但是账户B没有收到这个转过来的1000元。

  举个最简单的例子,大家想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话,会发生什么后果?

  假若一个线程执行到这个语句时,我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程:为低16位赋值,为高16位赋值。

  那么就可能发生一种情况:当将低16位数值写入之后,突然被中断,而此时又有一个线程去读取i的值,那么读取到的就是错误的数据。

  在Java中,对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作,即这些操作是不可被中断的,要么执行,要么不执行。

  上面一句话虽然看起来简单,但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子i:

  咋一看,可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作,其他三个语句都不是原子性操作。

  语句1是直接将数值10赋值给x,也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。

  语句2实际上包含2个操作,它先要去读取x的值,再将x的值写入工作内存,虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作,但是合起来就不是原子性操作了。

  同样的,x++和 x = x+1包括3个操作:读取x的值,进行加1操作,写入新的值。

  也就是说,只有简单的读取、赋值(而且必须是将数字赋值给某个变量,变量之间的相互赋值不是原子操作)才是原子操作。

  从上面可以看出,Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作,如果要实现更大范围操作的原子性,可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块,那么自然就不存在原子性问题了,从而保证了原子性。

  可见性是指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。

  由上面的分析可知,当线这句时,会先把i的初始值加载到工作内存中,然后赋值为10,那么在线的工作内存当中i的值变为10了,却没有立即写入到主存当中。

  此时线执行 j = i,它会先去主存读取i的值并加载到线的工作内存当中,注意此时内存当中i的值还是0,那么就会使得j的值为0,而不是10.

  这就是可见性问题,线对变量i修改了之后,线没有立即看到线.Java中的可见性

  另外,通过synchronized和Lock也能够保证可见性,synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码,并且

  int i = 0; boolean flag = false; i = 1; //语句1 flag = true; //语句2

  上面代码定义了一个int型变量,定义了一个boolean类型变量,然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看,语句1是在语句2前面的,那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?不一定,为什么呢?这里可能会发生指令重排序(Instruction Reorder)。

  比如上面的代码中,语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响,那么就有可能在执行过程中,语句2先执行而语句1后执行。

  但是要注意,虽然处理器会对指令进行重排序,但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同,那么它靠什么保证的呢?再看下面一个例子:

  虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果,但是多线程呢?下面看一个例子:

  在Java里面,可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性,很显然,synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码,相当于是让线程顺序执行同步代码,自然就保证了有序性。

  ③volatile变量规则:对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作

  ④传递规则:如果操作A先行发生于操作B,而操作B又先行发生于操作C,则可以得出操作A先行发生于操作C

  ⑤线程启动规则:Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作

  ⑥线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生

  ⑦线程终结规则:线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行

  ⑧对象终结规则:一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

  。注意,虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”,这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的,但是虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序,但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的,它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此,在单个线程中,程序执行看起来是有序执行的,这一点要注意理解。事实上,这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性,但无法保证程序在多线程中执行的正确性。第二条规则也比较容易理解,也就是说无论在单线程中还是多线程中,

  //线 boolean stop = false; while(!stop){ doSomething(); } //线 stop = true;

  这段代码是很典型的一段代码,很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上,这段代码会完全运行正确么?即一定会将线程中断么?不一定,也许在大多数时候,这个代码能够把线程中断,但是也有可能会导致无法中断线程(虽然这个可能性很小,但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了)。

  下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过,每个线程在运行过程中都有自己的工作内存,那么线在运行的时候,会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。

  (反映到硬件层的线缓存中对应的缓存行无效);第三:由于线的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,所以

  。那么在线修改stop值时(当然这里包括2个操作,修改线工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,然后线读取时,发现自己的缓存行无效,它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后,然后去对应的主存读取最新的值。

  大家想一下这段程序的输出结果是多少?也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致,都是一个小于10000的数字。

  可能有的朋友就会有疑问,不对啊,上面是对变量inc进行自增操作,由于volatile保证了可见性,那么在每个线程中对inc自增完之后,在其他线程中都能看到修改后的值啊,所以有10个线次操作,那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

  可见性只能保证每次读取的是最新的值,但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。在前面已经提到过,

  。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行,就有可能导致下面这种情况出现:假如某个时刻变量inc的值为10,

  所以线会直接去主存读取inc的值,发现inc的值时10,然后进行加1操作,并把11写入工作内存,最后写入主存。然后线操作,由于已经读取了inc的值,注意此时在线的工作内存中inc的值仍然为10,所以线写入工作内存,最后写入主存。

  ,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。atomic是利用CAS来实现原子性操作的(Compare And Swap),CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的,而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。3.volatile保证有序性

  ,那么在进行指令重排序的过程的时候,不会将语句3放到语句1、语句2前面,也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。并且volatile关键字能保证,

  这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰,就不会出现这种问题了,

  这一步确保了如果有其他线程对声明了volatile变量进行修改,则立即更新主内存中数据。** 但这时候其他处理器的缓存还是旧的,所以在多处理器环境下,为了保证各个处理器缓存一致,每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查 自己的缓存是否过期,

  会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里。** 这一步确保了其他线程获得的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。2.有序性

  即在执行到内存屏障这句指令时,在它前面的操作已经全部完成。七、volatile的应用场景

  synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码,那么就会很影响程序执行效率,而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized,但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的,因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说,使用volatile必须具备以下2个条件:

  但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的,最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2。如果是后者,则在 3 执行完毕、2 未执行之前,被线程二抢占了,这时 instance 已经是非 null 了(但却没有初始化),所以线程二会直接返回 instance,然后使用,然后顺理成章地报错。

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