java中的Volatile关键字

volatile： [ˈvɑlətl] 单词含义：易变的，不稳定的; （液体或油）易挥发的; 爆炸性的; 快活的，轻快的;

volatile在多线程并发中用途非常广，原因是它有两个特性：

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。
禁止进行指令重排序。

基础概念：Java 内存模型中的可见性、原子性和有序性。

可见性：

　　可见性是一种复杂的属性，因为可见性中的错误总是会违背我们的直觉。通常，我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值，有时甚至是根本不可能的事情。为了确保多个线程之间对内存写入操作的可见性，必须使用同步机制。

　　可见性，是指线程之间的可见性，一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。比如：用volatile修饰的变量，就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序，即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。但是这里需要注意一个问题，volatile只能让被他修饰内容具有可见性，但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0；之后有一个操作 a++；这个变量a具有可见性，但是a++ 依然是一个非原子操作，也就是这个操作同样存在线程安全问题。

　　在 Java 中 volatile、synchronized 和 final 实现可见性。

原子性：

　　原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型）这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++；这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

　　在 Java 中 synchronized 和在 lock、unlock 中操作保证原子性。

有序性：

　　Java 语言提供了 volatile 和 synchronized 两个关键字来保证线程之间操作的有序性，volatile 是因为其本身包含“禁止指令重排序”的语义，synchronized 是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行 lock 操作”这条规则获得的，此规则决定了持有同一个对象锁的两个同步块只能串行执行。

主内存与工作内存

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存（Main Memory）中，此外每条线程还有自己的工作内存（Working Memory）。

线程的工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本拷贝，线程对变量的所有操作（读取、赋值等）都必须在工作内存中进行，不能直接读写主内存中的变量。

并且，不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量，线程间变量值得传递均需要通过主内存来完成，线程、主内存、工作内存关系如下图：

也可以把这里的主内存与工作内存概念与JVM运行时数据区进行对应，主内存主要对应Java堆中的对象实例数据部分，工作内存对应于虚拟机栈中的部分区域。

内存间的交互动作

操作系统语义

　　计算机在运行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，在执行过程中势必会涉及到数据的读写。我们知道程序运行的数据是存储在主存中，这时就会有一个问题，读写主存中的数据没有CPU中执行指令的速度快，如果任何的交互都需要与主存打交道则会大大影响效率，所以就有了CPU高速缓存。CPU高速缓存为某个CPU独有，只与在该CPU运行的线程有关。

有了CPU高速缓存虽然解决了效率问题，但是它会带来一个新的问题：数据一致性。在程序运行中，会将运行所需要的数据复制一份到CPU高速缓存中，在进行运算时CPU不再也主存打交道，而是直接从高速缓存中读写数据，只有当运行结束后才会将数据刷新到主存中。举一个简单的例子：

　　i++

当线程运行这段代码时，首先会从主存中读取i( i = 1)，然后复制一份到CPU高速缓存中，然后CPU执行 + 1 （2）的操作，然后将数据（2）写入到告诉缓存中，最后刷新到主存中。其实这样做在单线程中是没有问题的，有问题的是在多线程中。如下：

假如有两个线程A、B都执行这个操作（i++），按照我们正常的逻辑思维主存中的i值应该=3，但事实是这样么？分析如下：

两个线程从主存中读取i的值（1）到各自的高速缓存中，然后线程A执行+1操作并将结果写入高速缓存中，最后写入主存中，此时主存i==2,线程B做同样的操作，主存中的i仍然=2。所以最终结果为2并不是3。这种现象就是缓存一致性问题。

解决缓存一致性方案有两种：

通过在总线加LOCK#锁的方式
通过缓存一致性协议

这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。

所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

当对非 volatile 变量进行读写的时候，每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。如果计算机有多个CPU，每个线程可能在不同的CPU上被处理，这意味着每个线程可以拷贝到不同的 CPU cache 中。

　　而声明变量是 volatile 的，JVM 保证了每次读变量都从内存中读，跳过 CPU cache 这一步。这里回过头看一下volatile单词的解释：易变的，不稳定的; （液体或油）易挥发的; 爆炸性的; 快活的，轻快的; 其实表示的是变量声明成volatile 时，就表示该变量是共享变量，线程栈中缓存的数据可能是无效的，需要重新从主存中读取，在线程栈中，一旦这个共享变量被改变了，它也会立即更新主存的变量，所以它是易变的，活泼的，所以才用了这个单词。

在解释一遍：

　　jvm运行时刻内存的分配。其中有一个内存区域是jvm虚拟机栈，每一个线程运行时都有一个线程栈，线程栈保存了线程运行时候变量值信息。当线程访问某一个对象时候值的时候，首先通过对象的引用找到对应在堆内存的变量的值，然后把堆内存变量的具体值load到线程本地内存中，建立一个变量副本，之后线程就不再和对象在堆内存变量值有任何关系，而是直接修改副本变量的值，在修改完之后的某一个时刻（线程退出之前），自动把线程变量副本的值回写到对象在堆中变量。这样在堆中的对象的值就产生变化了。下面一幅图描述这写交互：

read and load 从主存复制变量到当前工作内存
use and assign 执行代码，改变共享变量值
store and write 用工作内存数据刷新主存相关内容
其中use and assign 可以多次出现
但是这一些操作并不是原子性，也就是在read load之后，如果主内存count变量发生修改之后，线程工作内存中的值由于已经加载，不会产生对应的变化，所以计算出来的结果会和预期不一样
对于volatile修饰的变量，jvm虚拟机只是保证从主内存加载到线程工作内存的值是最新的

public class Counter { 

    public volatile static int count = 0; 

    public static void inc() { 

        //这里延迟1毫秒，使得结果明显 
        try { 
            Thread.sleep(1); 
        } catch (InterruptedException e) { 
        } 

        count++; 
    } 

    public static void main(String[] args) { 

        //同时启动1000个线程，去进行i++计算，看看实际结果 

        for (int i = 0; i < 1000; i++) { 
            new Thread(new Runnable() { 
                @Override
                public void run() { 
                    Counter.inc(); 
                } 
            }).start(); 
        } 

        //这里每次运行的值都有可能不同,可能为1000 
        System.out.println("运行结果:Counter.count=" + Counter.count); 
    } 
}

本机运行结果是：运行结果: Counter.count=992

运行结果还是没有我们期望的1000，原因是这条语句上，count++ ，它不是一个原子化的

当一个变量定义为 volatile 之后，将具备两种特性：

　　1.保证此变量对所有的线程的可见性，这里的“可见性”，如本文开头所述，当一个线程修改了这个变量的值，volatile 保证了新值能立即同步到主内存，以及每次使用前立即从主内存刷新。但普通变量做不到这点，普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。

　　2.禁止指令重排序优化。有volatile修饰的变量，赋值后多执行了一个“load addl $0x0, (%esp)”操作，这个操作相当于一个内存屏障（指令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），只有一个CPU访问内存时，并不需要内存屏障；（什么是指令重排序：是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理）。

volatile 性能：

　　volatile 的读性能消耗与普通变量几乎相同，但是写操作稍慢，因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。

posted @ 2018-03-24 00:38 myseries 阅读(263) 评论(0) 编辑收藏举报

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