volatile修饰数组

之前读CHM的源码(JDK8)，其中有一段印象比较深，它内部有一个Node数组，volatile修饰， transient volatile Node<K,V>[] table; 。而Node对象本身，存储数据的val变量，也是用volatile修饰的。这两个一个是保证扩容时，变更table引用时的可见性，一个是保证value修改后的可见性。

1. 非volatile数组的可见性问题

　　实验一：

public class Test {
    static int[] a = new int[]{1};

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程1开始休眠：" + LocalDateTime.now().toString());
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程1休眠结束：" + LocalDateTime.now().toString());
            a[0] = 0;
        }).start();

        while (a[0] != 0) {
        }
        System.out.println("主线程退出循环：" + LocalDateTime.now().toString());
    }
}

　　上述代码测试时，主线程无法退出循环，这说明了主线程使用的一直是工作内存中的数组数据，没有从主存刷新数据。

　　多线程下，修改普通数组，是不可见的。

　　实验二：

while (a[0] != 0) {
    System.out.println("");
}
System.out.print("主线程退出循环：" + LocalDateTime.now().toString());

　　修改实验一的部分代码，神奇的事情发生了 

　　

　　竟然可以了？ System.out.println(""); 有这么大魔力吗？我们看下方法实现

　　

 　　看到synchronized有木有，synchronized保证了原子性、可见性和防止指令重排序。对于可见性，JMM规定，线程获取Lock，需要将清空工作内存中共享变量的值，从主存中重新获取。而释放锁前，需要将自身变量值同步回主存。请见：第十二章 Java内存模型与线程。实验二改动的代码部分，加入了获取锁，所以会不停刷新变量的值。并且，所有的 System.out.println 方法，锁住的都是同一个锁对象，即 public final static PrintStream out; 。提到这一点是，网上有些资料说，必须保证是同一个锁的加锁解锁，才能保证可见性。

　　那么我们再试一下，锁住不同对象，还能正常刷新吗？

while (a[0] != 0) {
    synchronized ("") {
    }
}

　　将实验二修改成如上代码，再次实验：

　　

　　可见并不需要是同一个锁，只要获取锁就会去主存刷新缓存。　　

 

　　实验三：　　

public class Test {
    static int[] a = new int[]{1};
    static volatile boolean b = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程1开始休眠：" + LocalDateTime.now().toString());
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程1休眠结束：" + LocalDateTime.now().toString());
            a[0] = 0;
        }).start();

        while (a[0] != 0) {
            b = false;
        }
        System.out.println("主线程退出循环：" + LocalDateTime.now().toString());
    }
}

　　参考资料1中提到，当线程读取一个volatile修饰的变量时，会将这个线程中所有的变量都从主存中刷新一下。所以这里主线程访问变量b时，也会同时刷新数组。

　　　　

2. volatile数组的可见性问题

　　实验三：

public class Test {
    static volatile int[] a = new int[]{1};

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程1开始休眠：" + LocalDateTime.now().toString());
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程1休眠结束：" + LocalDateTime.now().toString());
            a[0] = 0;
        }).start();

        while (a[0] != 0) {
        }
        System.out.println("主线程退出循环：" + LocalDateTime.now().toString());
    }
}

　　主线程正常退出，那么问题来了，volatile到底只保证引用的可见性，还是包含了引用指向对象的可见性？

　　

3. volatile修饰数组的作用

　　在网上查阅资料，说这里需要区分一下基础类型数组和对象类型数组。上面的实验都是基于整数数组，那我们继续实验一下对象数组

　　实验四：

public class Test {
    static volatile A[] a = new A[]{new A(1)};

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            System.out.println("线程1开始休眠：" + LocalDateTime.now().toString());
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程1休眠结束：" + LocalDateTime.now().toString());
            a[0] = new A(0);
        }).start();

        while (a[0].val != 0) {
        }
        System.out.println("主线程退出循环：" + LocalDateTime.now().toString());
    }


    static class A {
        public int val;

        A(int val) {
            this.val = val;
        }
    }
}

　　很遗憾，跟实验三的结果是一样的。

　　那么为什么CHM需要再使用volatile保证Node对象value属性的可见性呢？而网上说的volatile只能保证引用的可见性是否正确呢？

　　JUC下的另一个并发工具类CopyOnWriteArrayList，这个也定义了一个对象数组 private transient volatile Object[] array; ，但是在访问元素时，并没有特殊的手段保证可见性，在设置元素时，先获取锁，将原数组拷贝一份，修改新数组后，修改array指向新数组。

4. 引申

　　其实这个问题，是之前写一个小功能遇到的，原问题是：线程1需要在线程2和线程3执行完成之后执行，实现方式有很多，比如栅栏、Jdk8的CompletableFuture、同步机制等，还想到一个数组形式，比如一个长度为2的数组，每个线程执行完毕之后，修改对应位置标志，这样避免了同步的问题。我们抛开上面的问题不谈，假设使用volatile修饰数组，实现这个功能，是否没有其他问题呢？

　　其实还有一个缓存行伪共享的问题。见参考资料2，其实就是说不同线程修改同一个缓存行的问题，每个线程读取一个缓存行，修改之后，同步到主存，会导致其他线程中相同的缓存行失效，这将带来性能上的问题。

5. 更新

　　关于volatile的可见性，参考文献3及文献5中说明了，从JDK5开始，volatile保证可见性不仅局限于其修饰的变量，还包括了线程中使用的其他变量。具体是

　　1. 读取volatile变量时，在该变量之后的变量也将从主存中重新读取（在volatile变量读操作发生之后的变量，因为禁止了指令重排序，所以是可见的）

　　2. 写入volatile变量时，在该变量之前的变量产生的修改也将写入到主存中（在volatile变量写操作发生之前的变量，因为禁止了指令重排序，所以是可见的）

　　volatile防止指令重排序（参考4）：

　　

　　

　　对实验三和实验四的结果做出解释，即我们先读取了volatile修饰的数组，这个操作将导致之后所有用到的值都会从主存中刷新一下，意味着数组内部的元素的值也被刷新了，如此我们才能访问到最新的数据。

　　

 

参考：

1. volatile修饰数组,那么数组元素可见吗?

2. 伪共享(False Sharing)

3. volatile修饰List能否保证内部元素的可见性？

4. 【并发】volatile是否能保证数组中元素的可见性？

5. Java Volatile Keyword