java多线程（4）---volatile关键字

volatile关键字

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。

      想要深刻的理解这两句话，首先得了解java的内存模型和并发编程中的原子性、可见性、排序性。

 

一、并发编程中的三个概念

     在并发编程中，我们通常会遇到以下三个问题：原子性问题，可见性问题，有序性问题。

  1、原子性

      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，要么就都不执行。

  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。

举个简单的例子，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;

       由上面的分析可知，当线程1执行 i =10这句时，会先把i的初始值加载到自己的高速缓存中，然后赋值为10，那么在线程1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的值并加载到自己的工作内存当中，注意此时主内存当中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

     从代码顺序上看，语句1是在语句2前面的，那么JVM在运行时不能保证语句1一定会在语句2前面执行，这里可能会发生指令重排序（Instruction Reorder）。

   4、什么是指令重排

     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，但是它会保证单线程程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

什么意思呢？看下面例子

a = 1;b = a;  //写后读。
a = 1;a = 2;  //写后写。
a = b;b = 1;  //读后写。
//以上语句不可重排，因为一旦重排会影响单线程最终执行结果

 a=1;b=2; //读后读，这个是可能重排的，因为这个执行先后顺序调换，不会影响执行结果

     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：

 

二、java的内存模型(JMM)

     

通过上图我们可知：

        Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中，每个线程都有自己的工作内存。线程对变量的所有操作都必须在自己的工作内存中进行，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。

       举个简单的例子：

i  = 10;

      执行线程必须先在自己的工作内存中对变量i进行赋值操作，然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。

那么Java语言 本身对 原子性、可见性以及有序性提供了哪些保证呢？

    1、原子性

       在Java中，对基本数据类型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。

看下面例子说明，请分析以下哪些操作是原子性操作：

x = 10;        //语句1
y = x;         //语句2
x++;           //语句3
x = x + 1;     //语句4

     你可能会觉得4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作，其他三个语句都不是原子性操作。

       （1）语句1是直接将数值10赋值给x，也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。

　　（2）语句2实际上包含2个操作，它先要去读取x的值，再将x的值写入工作内存。

　　（3）同样的，x++和 x = x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。

从上面可以看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作。

      2、可见性

      （1） 对于普通的成员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。
对于可见性，Java提供了volatile关键字来保证可见性。
　   （2）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。

      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。

     4、总结

    （1）对于普通成员变量它只保证了基本读取和赋值是原子性操作、它无法保证可见性、它会产生重排序。
    （2）使用volatile关键字能保证可见性，和一定的有序性。而使用synchronized和Lock能保证原子性、可见性、有序性。

 

三、volatite详解

   1、volatile保证原子性吗？

    从上面知道volatile关键字保证了操作的可见性，但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗？

下面看一个例子：

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);
    }
}

      当你上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。

      可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操作，由于volatile保证了可见性，那么在每个线程中对inc自增完之后，在其他线程中都能看到修改后的值啊，所以有10个线程分别进行了1000次操

作，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

      这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

在前面已经提到过，自增操作是不具备原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行，就有可能导致下面这种情况出现：

　　（1）假如某个时刻变量inc的值为10，

　　（2）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；

　　  (3）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。

　　（4）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。

　　（5）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。

 2.volatile能保证有序性吗？

        在前面提到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。

可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

//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。

3.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。

 

四.使用volatile关键字的场景

         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。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

       1）对变量的写操作不依赖于当前值

　　2）该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

//场景一
volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
    doSomething();
}
 
public void setFlag() {
    flag = true;
}

 

//场景2

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();  
inited = true;            
 
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

 

 

参考

非常感谢该作者：Java并发编程：volatile关键字解析

 

想太多，做太少，中间的落差就是烦恼。想没有烦恼，要么别想，要么多做。少校【10】