一 volatile
- 主内存:所有的变量都存储在主内存。线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
- 线程的工作内存:保存了被该线程使用的变量的主内存副本。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,而不能直接读写主内存中的数据。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量。线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。
这里所讲的主内存、工作内存与第2章所讲的Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一 个层次的对内存的划分,这两者基本上是没有任何关系的。
如果两者一定要勉强对应起来,那么从变 量、主内存、工作内存的定义来看,主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分,而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更基础的层次上说,主内存直接对应于物理硬件的内存,而为了获取更好的运行速度,虚拟机(或者是硬件、操作系统本身的优化措施)可能会让工作内存优先存储于寄存器和高速缓存中,因为程序运行时主要访问的是工作内存。
可见性
先来看一个现象,main 线程对 run 变量的修改对于 t 线程不可见,导致了 t 线程无法停止:
static boolean run = true;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t = new Thread(()->{
while(run){ // .... } }); t.start(); sleep(1); run = false; // 线程t不会如预想的停下来 }
为什么呢?分析一下:
1. 初始状态, t 线程刚开始从主内存读取了 run 的值到工作内存。
2. 因为 t 线程要频繁从主内存中读取 run 的值,JIT 编译器会将 run 的值缓存至自己工作内存中的高速缓存中, 减少对主存中 run 的访问,提高效率
3. 1 秒之后,main 线程修改了 run 的值,并同步至主存,而 t 是从自己工作内存中的高速缓存中读取这个变量 的值,结果永远是旧值
解决方法 volatile(易变关键字)
它可以用来修饰 成员变量 和 静态成员变量,他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值,必须到主存中获取它的值,线程操作 volatile 变量都是直接操作主存
- 在工作内存中,每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值(可见性)
- 在工作内存中,每次修改V后都必须立刻同步回主内存中(可见性)
可见性 vs 原子性
前面例子体现的实际就是可见性,它保证的是在多个线程之间,一个线程对 volatile 变量的修改对另一个线程可见,
不能保证原子性,仅用在一个写线程,多个读线程的情况(sychronized既能保证原子性也能保证可见性)。
不能解决 多个线程对同一个变量读写 时的指令交错问题。
有序性
int num=0; boolean ready = false; // 线程1 执行此方法 public void actor1(I_Result r) { if(ready) { r.r1 = num + num; } else { r.r1 = 1; } } // 线程2 执行此方法 public void actor2(I_Result r) { num = 2; ready = true; }
I_Result 是一个对象,有一个属性 r1 用来保存结果,问,可能的结果有几种?
有同学这么分析
- 情况1:线程1 先执行,这时 ready = false,所以进入 else 分支结果为 1
- 情况2:线程2 先执行 num = 2,但没来得及执行 ready = true,线程1 执行,还是进入 else 分支,结果为1
- 情况3:线程2 执行到 ready = true,线程1 执行,这回进入 if 分支,结果为 4(因为 num 已经执行过了)
但我告诉你,结果还有可能是 0 😁😁😁,信不信吧! 这种情况下是:线程2 执行 ready = true,切换到线程1,进入 if 分支,相加为 0,再切回线程2 执行 num = 2 相信很多人已经晕了 😵😵😵
这种现象叫做指令重排,是 JIT 编译器在运行时的一些优化。(好像目的是为了提高指令的吞吐量??)
在 ready 前加 volatile 可以禁止指令重排,有人问为啥不加在 num 前面呢?
- 因为加 volatile 可以禁止对它前面所有命令的指令重排,所以加一个就好了。
二 volatile原理
volatile 的底层实现原理是内存屏障,Memory Barrier(Memory Fence)
- 对 volatile 变量的写指令后会加入写屏障
- 对 volatile 变量的读指令前会加入读屏障
1.如何保证可见性
写屏障(sfence)保证在该屏障之前,对共享变量的改动,都同步到主存当中
public void actor2(I_Result r) { num = 2; ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障 // 写屏障 }
而读屏障(lfence)保证在该屏障之后,对共享变量的读取,加载的是主存中最新数据
public void actor1(I_Result r) { // 读屏障 // ready 是 volatile 读取值带读屏障 if(ready) { r.r1 = num + num; } else { r.r1 = 1; } }
2.如何保证有序性
写屏障会确保指令重排序时,不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后
public void actor2(I_Result r) { num = 2; ready = true; // ready 是 volatile 赋值带写屏障 // 写屏障 }
读屏障会确保指令重排序时,不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前
public void actor1(I_Result r) { // 读屏障 // ready 是 volatile 读取值带读屏障 if(ready) { r.r1 = num + num; } else { r.r1 = 1; } }
3.从单例双重锁检查来看volatile
public final class Singleton { private Singleton() { }
private static volatile Singleton INSTANCE = null;
public static Singleton getInstance() { // 实例没创建,才会进入内部的 synchronized代码块 if (INSTANCE == null) { synchronized (Singleton.class) { // t2 // 也许有其它线程已经创建实例,所以再判断一次 if (INSTANCE == null) { // t1 INSTANCE = new Singleton(); } } } return INSTANCE; } }
字节码
// -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的读屏障 0: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton; 3: ifnonnull 37 6: ldc #3 // class cn/itcast/n5/Singleton 8: dup 9: astore_0 10: monitorenter -----------------------> 保证原子性、可见性 11: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton; 14: ifnonnull 27 17: new #3 // class cn/itcast/n5/Singleton 20: dup 21: invokespecial #4 // Method "<init>":()V 24: putstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton; // -------------------------------------> 加入对 INSTANCE 变量的写屏障 27: aload_0 28: monitorexit ------------------------> 保证原子性、可见性 29: goto 37 32: astore_1 33: aload_0 34: monitorexit 35: aload_1 36: athrow 37: getstatic #2 // Field INSTANCE:Lcn/itcast/n5/Singleton; 40: areturn
其中
- 17 表示创建对象,将对象引用入栈 // new Singleton
- 20 表示复制一份对象引用 // 引用地址
- 21 表示利用一个对象引用,调用构造方法
- 24 表示利用一个对象引用,赋值给 static INSTANCE
也许 jvm 会优化为:先执行 24 赋值,再执行 21 再调用构造方法 (INSTANCE = new Singleton();)。如果两个线程 t1,t2 按如下时间序列执行:
上图:
- t1 线程执行 INSTANCE = new Singleton(); 这一句时21行和24行重排序了,也就是先赋值再调用构造方法。
- t2 线程在t1赋值完还没调用初始化之前,在这个间隙正在执行外层的 if (INSTANCE == null) ,因为t1已经赋值了,不为 null ,所以直接返回了没有初始化的 instance,若 t2 再紧接着使用这个没有初始化的 instance ,就会出现问题
关键在于 0: getstatic 这行代码在 monitor 控制之外,它就像之前举例中不守规则的人,可以越过 monitor 读取 INSTANCE 变量的值
这时 t1 只是被赋值了, 还未完全将构造方法执行完毕,如果在构造方法中要执行很多初始化操作,那么 t2 拿到的是将是一个未初始化完毕的单例
对 INSTANCE 使用 volatile 修饰即可,可以禁用指令重排,但要注意在 JDK 5 以上的版本的 volatile 才会真正有效
解决
给 instance 加上 volatile 修饰。构造方法一定不能排到 写屏障下面去
三 happens-before 规则
happens-before 规定了对共享变量的写操作对其它线程的读操作可见,它是可见性与有序性的一套规则总结,抛 开以下 happens-before 规则,JMM 并不能保证一个线程对共享变量的写,对于其它线程对该共享变量的读可见
- 线程解锁 m 之前对变量的写,对于接下来对 m 加锁(sychronized)的其它线程对该变量的读可见
- 线程对 volatile 变量的写,对接下来其它线程对该变量的读可见
- 线程 start 前对变量的写,对该线程开始后对该变量的读可见
- 线程结束前对变量的写,对其它线程得知它结束后的读可见(比如其它线程调用 t1.isAlive() 或 t1.join()等待 它结束)
- 线程 t1 打断 t2(interrupt)前对变量的写,对于其他线程得知 t2 被打断后对变量的读可见(通过 t2.interrupted 或 t2.isInterrupted)
- 对变量默认值(0,false,null)的写,对其它线程对该变量的读可见
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