volatile详解
1.1作用
- 防止指令重排
- 使得多线程下的共享资源能够独自修改使用。解决缓存不一致问题。
1.2相关知识
1.Java内存模型
1.3详解
一旦一个共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量)被volatile修饰之后,那么就具备了两层语义:
1.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,这新值对其他线程来说是立即可见的。
2.禁止进行指令重排序。
假如我们需要一个线程等待另一个线程启动后执行某些方法,一般会这样写:
//线程1
//标志位
boolean stop = false;
while(!stop){
doSomething();
}
//线程2
stop = true;
这样的写法大多数情况下都可以生效,但是存在一种可能产生死循环: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.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。
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。那么线程1读取到的就是最新的正确的值。
但是volatile不能保证操作的原子性:例如下面这段代码
public class Test{
public volatile int inc = 0;
public void increase(){
inc++;
System.out.println(inc);
}
public static void main(String[]args) {
final Test test = new Test();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 1000; j++)
test.increase();
}).start();
}
}
}
最后跑出来的inc值肯定会小于1000000(如果不对就再将线程开多点,加大出现问题的几率)。因为一般的自增操作并不是原子操作,可能存在一种情况:
1.某个时刻变量inc的值为10,线程1对变量进行自增操作,线程1先读取了变量inc的原始值,然后线程1被阻塞了。
2.然后线程2对变量进行自增操作,线程2也去读取变量inc的原始值,由于线程1只是对变量inc进行读取操作,而没有对变量进行修改操作,所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效,所以线程2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。
3.然后线程1接着进行加1操作,由于已经读取了inc的值,注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10,所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11,然后将11写入工作内存,最后写入主存。那么两个线程分别进行了一次自增操作后,inc只增加了1。
解释到这里,可能有朋友会有疑问,不对啊,前面不是保证一个变量在修改volatile变量时,会让缓存行无效吗?然后其他线程去读就会读到新的值,对,这个没错,但是要注意,线程1对变量进行读取操作之后,被阻塞了的话,并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的,但是线程1没有进行修改,所以线程2根本就不会看到修改的值。根源就在这里,自增操作不是原子性操作,而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类,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。
1.4volatile的原理和实现机制
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。
1.5小结
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。