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Java volatile关键字解析

2019-03-21 18:17 出处:清屏网 人气: 评论(0

volatile 被称为 轻量级的synchronized ,运行时开销比 synchronized 更小,在多线程并发编程中发挥着 同步共享变量禁止处理器重排序 的重要作用。建议在学习 volatie 之前,先看一下Java内存模型 《什么是Java内存模型?》 ,因为 volatile 和Java内存模型有着莫大的关系。

Java内存模型

在学习 volatie 之前,需要补充下Java内存模型的相关(JMM)知识,我们知道Java线程的所有操作都是在工作区进行的,那么工作区和主存之间的变量是怎么进行交互的呢,可以用下面的图来表示。

Java通过几种原子操作完成 工作区内存主存 的交互

read
store

8 个操作每个操作都是原子性的,但是几个操作连着一起就不是原子性了!

volatile原理

上面介绍了Java模型的 8 个操作,那么这 8 个操作和 volatile 又有着什么关系呢。

volatile的可见性

什么是 可见性 ,用一个例子来解释,先看一段代码,加入线程 1 先执行,线程 2 再执行

//线程1
boolean stop = false;
while (!stop) {
    do();
} 

//线程2
stop = true;

线程 1 执行后会进入到一个死循环中,当线程 2 执行后,线程 1 的死循环就一定会马上结束吗?答案是不一定,因为线程 2 执行完 stop = true 后,并不会马上将变量 stop 的值 true 写回主存中,也就是上图中的 assign 执行完成之后, storewrite 并不会随着执行, 线程 1 没有立即将修改后的变量的值更新到主存中 ,即使线程 2 及时将变量 stop 的值写回主存中了, 线程 1 也没有了解到变量 stop 的值已被修改而去主存中重新获取 ,也就是线程 1loadread 操作并不会马上执行造成线程 1 的工作区内存中的变量副本不是最新的。这两个原因造成了线程 1 的死循环也就不会马上结束。

那么如何避免上诉的问题呢?我们可以使用 volatile 关键字修饰变量 stop ,如下

//线程1
volatile boolean stop = false;
while (!stop) {
    do();
} 

//线程2
stop = true;

这样线程 1 每次读取变量 stop 的时候都会先去主存中获取变量 stop 最新的值,线程 2 每次修改变量 stop 的值之后都会马上将变量的值写回主存中,这样也就不会出现上述的问题了。

那么关键字 volatie 是如何做到的呢? volatie 规定了上述 8 个操作的规则

  1. 只有当线程对变量执行的 前一个操作load 时,线程才能对变量执行 use 操作;只有线程的后一个操作是 use 时,线程才能对变量执行 load 操作。即规定了 useloadread 三个操作之间的约束关系, 规定这三个操作必须连续的出现,保证了线程每次读取变量的值前都必须去主存获取最新的值
  2. 只有当前程对变量执行的 前一个操作assign 时,线程才能对变量执行 store 操作;只有线程的后一个操作是 store 时,线程才能对变量执行 assign 操作,即规定了 assignstorewrite 三个操作之间的约束关系, 规定了这三个操作必须连续的出现,保证线程每次修改变量后都必须将变量的值写回主存

volatile 的这两个规则,也正是保证了 共享变量的可见性

volatile的有序性

有序性即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行,Java内存模型(JMM)允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是规定了 as-if-serial 语义,即保证 单线程 情况下不管怎么重排序,程序的结果不能改变,如

double pi = 3.14;  //A
double r = 1;     //B
double s = pi * r * r; //C

上面的代码可能按照 A->B->C 顺序执行,也有可能按照 B->A->C 顺序执行,这两种顺序都不会影响程序的结果。但是不会以 C->A(B)->B(A) 的顺序去执行,因为 C 语句是依赖于 AB 的,如果按照这样的顺序去执行就不能保证结果不变了(违背了 as-if-serial )。

上面介绍的是单线程的执行,不管指令怎么重排序都不会影响结果,但是在多线程下就会出现问题了。

下面看个例子

double pi = 3.14;
double r = 0;
double s = 0;
boolean start = false;
//线程1
r = 10; //A
start = true; //B

//线程2
if (start) {  //C
    s = pi * r * r;  //D
}

线程 1 和线程 2 同时执行,线程 1AB 的执行顺序可能是 A->B 或者 B->A (因为A和B之间没有依赖关系,可以指令重排序)。如果线程 1 按照 A->B 的顺序执行,那么线程 2 执行后的结果s就是我们想要的正确结果,如果线程 1 按照 B->A 的顺序执行,那么线程 2 执行后的结果s可能就不是我们想要的结果了,因为线程 1 将变量 stop 的值修改为 true 后,线程 2 马上获取到 stoptrue 然后执行 C 语句,然后执行 D 语句即 s = 3.14 * 0 * 0 ,然后线程 1 再执行 B 语句,那么结果就是有问题了。

那么为了解决这个问题,我们可以在变量 true 加上关键字 volatile

double pi = 3.14;
double r = 0;
double s = 0;
volatile boolean start = false;
//线程1
r = 10; //A
start = true; //B

//线程2
if (start) {  //C
    s = pi * r * r;  //D
}

这样线程 1 的执行顺序就只能是 A->B 了,因为关键字 发挥了禁止处理器指令重排序的作用 ,所以线程 2 的执行结果就不会有问题了。

那么 volatile 是怎么实现禁止处理器重排序的呢?

编译器会在编译生成字节码的时候,在加有 volatile 关键字的变量的指令进行插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序

我们先看 内存屏障 有哪些及发挥的作用

  1. StoreStore 屏障:禁止屏障上面的普通变量的写和下面的 volatile 变量的写进行处理器重排序。
  2. StoreLoad 屏障:防止屏障上面的 volatile 变量的写和下面可能有的 volatile 变量的读/写进行处理器重排序。
  3. LoadLoad 屏障:禁止屏障上面的 volatile 读和下面的 所有 普通变量的读进行处理器重排序。
  4. LoadStore 屏障:禁止屏障上面的 volatile 读和下面的 所有 普通变量的读进行处理器重排序。

再看 volatile 是怎么插入屏障的

  1. 在每个 volatile 变量的写 前面 插入一个 StoreStore 屏障。
  2. 在每个 volatile 变量的写 后面 插入一个 StoreLoad 屏障。
  3. 在每个 volatile 变量的读 后面 插入一个 LoadLoad 屏障。
  4. 在每个 volatile 变量的读 后面 插入一个 LoadStore 屏障。

注意:写操作是在 volatile 前后 插入一个内存屏障,而读操作是在 后面 插入两个内存屏障。

volatile变量通过插入内存屏障禁止了处理器重排序,从而解决了多线程环境下处理器重排序的问题。

volatile有没有原子性?

上面分别介绍了 volatile 的可见性和有序性,那么 volatile 有原子性吗?我们先看一段代码

public class Test {
    public volatile int inc = 0;
     
    public void increase() {
        inc++;
    }
     
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
         
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

我们开启 10 个线程对 volatile 变量进行自增操作,每个线程对 volatile 变量执行 1000 次自增操作,那结果变量 inc 会是 10000 吗?答案是,变量 inc 的值基本都是小于 10000

可能你会有疑问, volatile 变量 inc 不是保证了共享变量的可见性了吗,每次线程读取到的都是最新的值,是的没错, 但是线程每次将值写回主存的时候并不能保证主存中的值没有被其他的线程修过过

如果所示:线程 1 在主存中获取了 i 的最新值(i=1),线程 2 也在主存中获取了 i 的最新值(i=1,注意这时候线程 1 并未对变量 i 进行修改,所以 i 的值还是 1 )),然后线程 2 将i自增后写回主存,这时候主存中 i=2 ,到这里还没有问题,然后线程 1 又对i进行了自增写回了主存,这时候主存中 i=2 ,也就是对i做了2次自增操作,结果i的结果只自增了1,问题就出来了这里。

为什么会有这个问题呢,前面我们提到了Java内存模型和主存之间交互的 8 个操作都是原子性的,但是他们的操作连在一起就不是原子性了,而 volatile 关键字也只是保证了 useloadread 三个操作连在一起时候的原子性,还有 assignstorewrite 这三个操作连在一起时候的原子性,也就是 volatile 关键字 保证了变量读操作的原子性和写操作的原子性,而变量的自增过程需要对变量进行读和写两个过程,而这两个过程连在一起就不是原子性操作了。

所以说 volatile 变量对于变量的单独写操作/读操作是保证了原子性的,而常说的原子性包括读写操作连在一起,所以说对于 volatile 不保证原子性的。那么如何解决上面程序的问题呢?只能给 increase 方法加锁,让在多线程情况下只有一个线程能执行 increase 方法,也就是保证了一个线程对变量的读写是原子性的。

参考


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本文标签: Javavolatile

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