简单聊聊volatile关键字原理
volatile 关键字
一、说说你对 volatile 关键字的理解
被 volatile 修饰的共享变量,就具有了以下两点特性:
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保证了不同线程对该变量操作的内存可见性;
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禁止指令重排序
二、内存可见性 和 禁止重排序分别怎么实现的?
当一个变量被 volatile 修饰时,那么对它的修改会立刻刷新到主存,当其它线程需要读取该变量时,会去内存中重新读取新值。
禁止重排序,内部提供了内存屏障,写的指令不能往后排,读的指令不能往前排
1.可见性(Visibility): 说到可见性,Java就是利用volatile来提供可见性的。 当一个变量被volatile修饰时,那么对它的修改会立刻刷新到主存,当其它线程需要读取该变量时,会去内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。 其实通过synchronized和Lock也能够保证可见性,线程在释放锁之前,会把共享变量值都刷回主存,但是synchronized和Lock的开销都更大。
2. 有序性(Ordering) JMM是允许编译器和处理器对指令重排序的,但是规定了as-if-serial语义,即不管怎么重排序,程序的执行结果不能改变。加上volatile关键字,禁止重排序,可以确保程序的有序性,也可以上重量级的synchronized和Lock来保证有序性,它们能保证那一块区域里的代码都是一次性执行完毕的。
三、volatile 关键字如何满足并发编程的三大特性的?
当写一个 volatile 变量时,JMM 会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存,当读一个volatile变量时,JMM 会把该线程对应的本地内存置为无效,线程接下来将从主内存中读取共享变量。
四、volatile 的两点内存语义能保证可见性和有序性,但是能保证原子性吗?
不能保证原子性
比如下面的例子:
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);
}
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。
五、知道 volatile 底层的实现机制?
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重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置
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使得本CPU的Cache写入内存
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写入动作也会引起别的CPU或者别的内核无效化其Cache,相当于让新写入的值对别的线程可见。
六、 你在哪里会使用到volatile,举两个例子呢?
1.状态量标记,就如上面对flag的标记,我重新提一下:
int a = 0;
volatile bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
}
这种对变量的读写操作,标记为volatile可以保证修改对线程立刻可见。比synchronized,Lock有一定的效率提升。
2.单例模式的实现,典型的双重检查锁定(DCL)
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;
}
}
这是一种懒汉的单例模式,使用时才创建对象,而且为了避免初始化操作的指令重排序,给instance加上了volatile。