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Java中的volatile关键字


 

  一、计算机内存模型的相关概念

  计算机在执行程序时,每条指令都是在CPU中执行的,而执行指令过程中,可能会涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存(物理内存)当中的,由于CPU执行速度很快,而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢得多,因此如果任何时刻对数据的操作都要通过和内存的交互来进行,会大大降低指令执行的速度,因此自CPU里面就有了高速缓存。

  也就是,当程序在运行过程中,会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU高速缓存中,那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据,当运算结束之后,再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。比如下面这条语句:

  i = i + 1;

  当线程执行这个语句时,会先从主存当中读取i的值,然后复制一份到高速缓存中,接着CPU执行指令对i进行加1操作,然后将数据写入高速缓存,最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

  这个代码在单线程中运行时没有任何问题的,但是多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中,每条线程可能运行于不同的CPU中,因此每个线程运行时都有自己的高速缓存(对单核CPU来说,其实也会出现这种问题,只不过是以线程调度的形式来分别执行的)。

  假设同时有2个线程执行这段代码,i的初始值为0,我们本意是两个线程执行完之后i的值变为2,但事实会是这样吗?请看下面这种情况:

  极有可能存在这种情况:初始时,两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中,然后线程1进行加1操作,把i的最新值写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0,进行加1之后,然后线程2把i的值写入内存。

  最终结果是1,而不是2。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。也就是说,如果一个变量在多个CPU中都存在缓存(一般在多线程编程时才会出现),那么就可能存在缓存不一致的问题。

  二、并发编程中的三个概念

  1.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,那么就都不执行。

  2.可见性

  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。请看下面这段代码:

  //线程1执行的代码

  int i = 0;

  i = 10;

  //线程2执行的代码

  j = i;

  假若执行线程1的是CPU1,执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知,当线程1执行 i =10这句时,会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中,然后赋值为10,那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了,却没有立即写入到主存当中。

  此时线程2执行 j = i,它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中,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,线程1对变量i修改了之后,线程2没有立即看到线程1修改的值。

  3.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。举个简单的例子,看下面这段代码:

  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)。

  下面解释一下什么是指令重排序,一般来说,处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

  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。

  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:

  //线程1:

  context = loadContext(); //语句1

  inited = true; //语句2

  //线程2:

  while(!inited ){

  sleep()

  }

  doSomethingwithconfig(context);

  上面代码中,由于语句1和语句2没有数据依赖性,因此可能会被重排序。假如发生了重排序,在线程1执行过程中先执行语句2,而此是线程2会以为初始化工作已经完成,那么就会跳出while循环,去执行doSomethingwithconfig(context)方法,而此时context并没有被初始化,就会导致程序出错。

  从上面可以看出,指令重排序不会影响单个线程的执行,但是会影响到线程并发执行的正确性。

  也就是说,要想并发程序正确地执行,必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证,就有可能会导致程序运行不正确。

  三、Java内存模型

  Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中(类似于前面说的物理内存),每个线程都有自己的工作内存(类似于前面的高速缓存)。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。也就是说,在java内存模型中,也会存在缓存一致性问题和指令重排序的问题。

  1.原子性

  在Java中,对基本数据类型(除了long和double)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。还有一些原子类,如AtomicInteger、AtomicBoolean等等。

  2.可见性

  对于可见性,Java提供了volatile关键字来保证可见性。

  当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。

  而普通的共享变量不能保证可见性,因为普通共享变量被修改之后,什么时候被写入主存是不确定的,当其他线程去读取时,此时内存中可能还是原来的旧值,因此无法保证可见性。

  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,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

  3.有序性

  在Java内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。

  在Java里面,可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”(具体原理在下一节讲述)。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。

  四、深入剖析volatile关键字

  前面讲的很多知识,其实都是为讲述volatile关键字做铺垫。

  1.volatile关键字的两层语义

  一旦一个共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量)被volatile修饰后,那么就具备了两层语义:

  保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性,即一个线程修改了某个变量的值,这个新值对其他线程来说是立即可见的;禁止进行指令重排序。 请看下面一段代码:

  //线程1

  boolean stop = false;

  while(!stop){

  doSomething();

  }

  //线程2

  stop = true;

  这是一段很经典的代码,很多人在中断线程时可能都会采用这种标记方法。但是事实上,在大多数情况下,这个代码能达到中断线程的目的,但是在少数情况下也有可能导致无法中断线程,造成死循环。 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,那么线程1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。那么当线程2更改了stop变量的值之后,但是还没来得及写入主存当中,线程2转去做其他事情了,那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改,因此还会一直循环下去。

  但是用volatile修饰之后就变得不一样了:

  ①使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;

  ②使用volatile关键字的话,当线程2进行修改时,会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效(反映到硬件层的话,就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效);

  ③由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

  那么在线程2修改stop值时(当然这里包括2个操作,修改线程2工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,然后线程1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。

  那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

  2.volatile保证变量对线程的可见性,但不保证原子性volatile只能保证每次读取的变量的值都是最新的值,但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

  要保证具有原子性,可以使用synchronized关键字、Lock、原子变量(AtomicInteger等)

  3.volatile能保证有序性

  volatile关键字能禁止指令重排序,所以volatile能在一定程度上保证有序性。

  volatile关键字禁止指令重排序有两层意思:

  1)当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时,在其前面的操作的更改肯定全部已经进行,且结果已经对后面的操作可见;在其后面的操作肯定还没有进行;

  2)在进行指令优化时,不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行,也不能把volatile变量

  后面的语句放到其前面执行。

  请看这个例子:

  //x、y为非volatile变量

  //flag为volatile变量

  x = 2; //语句1

  y = 0; //语句2

  flag = true; //语句3

  x = 4; //语句4

  y = -1; //语句5

  由于flag变量为volatile变量,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,执行到语句3时,语句1和语句2必定是执行完毕了的,且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。

  我们再来看前面所举得那个例子:

  //线程1:

  context = loadContext(); //语句1

  inited = true; //语句2

  //线程2:

  while(!inited ){

  sleep()

  }

  doSomethingwithconfig(context);

  前面举这个例子的时候,提到有可能语句2会在语句1之前执行,那么久可能导致context还没被初始化,而线程2中就使用未初始化的context去进行操作,导致程序出错。

  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,因为当执行到语句2时,必定能保证context已经初始化完毕。

  4.volatile的原理和实现机制

  前面讲述了源于volatile关键字的一些使用,下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。

  下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》:

  “观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现,加入volatile关键字时,会多出一个lock前缀指令”

  lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障(也成内存栅栏),内存屏障会提供3个功能:

  1)它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置,也不会把前面的指令排到内存屏障的后面;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;

  2)它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存;

  3)如果是写操作,它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

  五、使用volatile关键字的场景

  一般来说:当一个变量的值的修改不依赖原来的值时,就满足了volatile关键字的使用场景。

  场景1. get方法

  private volatile int value = 0;

  public void setValue(int value){

  this.value = value;

  }

  public int getValue(){

  return value;

  }

  当set方法和get方法在两个线程中执行时,由于set方法对value的修改不依赖value的原值,可以在value变量前加volatile关键字来实现线程同步,保证get方法取得的值是最新的。

  场景2. 状态标记量

  volatile boolean flag = false;

  while(!flag){

  doSomething();

  }

  public void setFlag() {

  flag = true;

  }

  volatile boolean inited = false;

  //线程1:

  context = loadContext();

  inited = true;

  //线程2:

  while(!inited ){

  sleep()

  }

  doSomethingwithconfig(context);

  并发专家建议我们远离volatile是有道理的,这里再总结一下:

  volatile是在synchronized性能低下的时候提出的。如今synchronized的效率已经大幅提升,所以volatile存在的意义不大。如今非volatile的共享变量,在访问不是超级频繁的情况下,已经和volatile修饰的变量有同样的效果了。volatile不能保证原子性,这点是大家没太搞清楚的,所以很容易出错。volatile可以禁止重排序。 所以如果我们确定能正确使用volatile,那么在禁止重排序时是一个较好的使用场景,否则我们不需要再使用它。