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Java并发编程——浅谈volatile关键字

李白吃白菜
 李白吃白菜
发布于 2016/03/30 17:04
字数 1945
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Java提供了一种稍弱的同步机制,即volatile变量,用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后,编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的,volatile变量不会被缓存在寄存器或者其他处理器不可见的地方,因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新的值。

1.volatile关键字的两层语义

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。

先看下面一段代码

//线程1
boolean alseep= false;
while(!alseep){
    doSomething();
}
 
//线程2
alseep= true;

 

这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过,每个线程在运行过程中都有自己的工作内存,那么线程1在运行的时候,会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。

那么当线程2更改了stop变量的值之后,但是还没来得及写入主存当中,线程2转去做其他事情了,那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改,因此还会一直循环下去。

如果还不清楚明白,看线程读取变量的示意图?

比如:线程1修改了变量的值,也刷新到了主存中,但是线程2、线程3在此段时间内读取还是工作内存中的,也就是说他们读取的不是“最新的值”,此时就出现了不同的线程持有的公共资源不同步的情况。

如果加入volatile修饰,就可以生效

//线程1
volatile boolean alseep= false;
while(!alseep){
    doSomething();
}
 
//线程2
alseep= true;

 

1:使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;

2:使用volatile关键字的话,当线程2进行修改时,会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效(反映到硬件层的话,就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效);

3:由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取

如果还是有点含糊,看下volatile读取变量的示意图?

如果在变量前加上volatile关键字,可以确保每个线程对本地变量的访问和修改都是直接与主存进行交互。

而不是像上面与工作内存相交互。所以可以保证每个线程都可以获得最新的值。

 

2.volatile保证原子性吗?

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();
        }
         //保证前面的线程都执行完
        while(Thread.activeCount()>1)  
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

这段程序的输出结果是多少?也许很多朋友认为是10000。但是事实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。

但是要注意,假如线程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。

把上面的代码改成以下任何一种都可以达到效果:

采用synchronized:

public class Test {
    public  int inc = 0;
    
    public synchronized 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();
        }
         //保证前面的线程都执行完
        while(Thread.activeCount()>1) 
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

采用Lock:

public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    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);
    }
}

采用原子性操作AtomicInteger:

public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
     
    public  void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    
    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);
    }
}

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类,即对基本数据类型的 自增(加1操作),自减(减1操作)、以及加法操作(加一个数),减法操作(减一个数)进行了封装,保证这些操作是原子性操作。volatile 修饰基本类型必须要确定变量操作是原子操作,但count++并不是原子操作,其中有读,加,写三个操作。

3.volatile能保证有序性吗?

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。

4.volatile的原理和实现机制

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。

使用volatile关键字的场景

不要将volatile用在getAndOperate场合(这种场合不原子,需要再加锁),仅仅set或者get的场景是适合volatile的。加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性,而volatile变量只可确保可见性。通常来说,当且仅当满足以下所有条件时。才应该可以使用volatile变量:

1:对变量的写入操作不依赖变量的当前值,或者你能确保只有单个线程更新变量的值。

2:该变量不会与其他状态变量一起纳入不变性的条件中。

3:在访问变量时不需要加锁。

 

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