【Java 并发】【五】volatile怎么通过内存屏障保证可见性和有序性
1 前言
这节我们就来看看volatile怎么通过内存屏障保证可见性和有序性。
2 保证可见性
volatile修饰的变量,在每个读操作(load操作)之前都加上Load屏障,强制从主内存读取最新的数据。每次在assign赋值后面,加上Store屏障,强制将数据刷新到主内存。
以volatile int x= 0;线程A、B进行x++的操作来画图给你讲解一下:
如上图所示:
(1)线程A读取i的值遇到Load屏障,需要强制从主存读取得到x = 0; 然后传递给工作线程执行x++操作
(2)cpu执行x++操作得到x = 1,执行assign指令进行赋值;然后遇到Store屏障,需要强制刷新回主内存,此时得到主内存x = 1
(3)然后线程B执行读取i遇到Load屏障,强制从主内存读取,得到最新的值x = 1,然后传给工作线程执行x++操作,得到x = 2,同样在赋值后遇到Store屏障立即将数据刷新回主内存
其实说白了就是通过一个屏障让volatile的变量每次读都读主存,每次修改后立即刷到主存里面。好比线程A修改 i 后立即将值刷到主存里面,后面线程B用到的时候强制从主存读取,这个时候它能看到的值是线程A修改之后的值了。volatile通过内存屏障每次走主存的方式;这样来保障可见性。
3 保证有序性
之前讲过一个有序性问题导致异常的例子,我们回顾下:
线程A的执行代码:
// 步骤1 dataSource = initDataSource(); // 步骤2 httpClient = initHttpClient(); // 步骤3 initOK = true;
线程B的执行代码:
// 步骤4 while(!initOK) { } // 步骤5 Object data = dataSource.getData(); // 步骤6 httpClient.request(data);
由于线程A先执行了initOK = true。导致线程B提前跳出了while循环,然后线程B调用dataSource.getData的时候发现dataSource没初始化好,竟然是个坑爹的null,导致代码报错了。
现在我们就来讲讲将initOk用volatile来修饰,是可以做到线程A有序性执行的。好了,废话不多说,我先来上代码:
对于线程A执行的代码,对应的指令是这样的:
// 步骤1 对应上面dataSource = initDataSource(); 对应指令 store datasource指令 // 步骤2 对应上面httpClient = initHttpClient(); 对应指令 store http指令 // 步骤3 StoreStore屏障 (注意:在store initOK前面加了一个StoreStore屏障 initOK = true; 对应指令 store initOk = true指令 StoreLoad 屏障 (注意:在store initOK后面加了一个StoreLoad屏障)
其中会在store initOk = true 前面加一道StoreStore内存屏障,在其后面加一道StoreLoad内存屏障,再结合上一篇我们讲过内存屏障如何禁止指令重排序的那个图:
所以通过volatile修饰initOK,加了屏障之后;store initOK = true这一条指令是不能跳到store dataSource、store http前面去的,所以必须先执行完前面的执行之后,才能执行store initOK = true。
这样对于线程B来说,它看到线程A就是资源初始化完成之后,才将initOK表示设置为true的,这样它看到线程A的执行就是有序的。
这个volatile写的时候前面加StoreStore屏障、写的后面加StoreLoad屏障来禁止重排序的,就是通过加了屏障,store initOK = true 指令不能跟前面的store指令进行交换。所以它就自然得等前面的store指令执行完了之后,才执行store initOK = true的,然后在线程B那一侧看到的initOK = true的时候,发现资源以及初始化好了,自然就不会报错了。
4 volatile为啥不能保证原子性
按照惯例,我们来画张图,还是以 x++ 的那个例子为例,volatile int x = 0,假如两个线程A、线程B同时对 x 进行 ++ 操作如下:
上图存在一种情况就是,线程A、线程B如果几乎同时读取 x = 0 到自己的工作内存中。
线程A执行 x++ 结果后将 x = 1 赋值给工作内存;但是这个时候还没来的将最新的结果刷新回主内存的时候,线程B就使用读取主内存的旧值 x = 0 ,然后执行use指令将 x = 0的值传递给线程B去进行操作了。即使这个时候线程A立即将 x = 1刷入主内存,那也晚了;线程B已经使用旧值 x = 0进行操作了,像这种情况计算结果就不对了。
如果要保证原子性的话,落到底层实际还是需要进行加锁的,需要保证任意时刻只能有一个线程能执行成功。
比如在硬件层次或者对总线进行加锁,使得某一时刻只能有一个线程能执行x++操作,这样才能是不被中断的,才是原子性的。
现在现在这种情况,相当于就是两个线程同时进行了 x++操作,线程A的 x++操作还没结束;线程B的 i++操作就也同时进行着,这种情况不是原子的。
如果要保证原子性的话,同一时刻只能有一个线程或者CPU能够执行成功,底层是需要对硬件进行加锁的,只有某个CPU或者线程锁定了,享有独占的权限,那么它的操作才能是不被其它CPU或者线程打断的。
5 小结
这节我们简单看了内存屏障是如何保证有序性和可见性的,以及原子性不可保证的原因,有理解不对的地方欢迎指正哈。