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java多线程——volatile

wier
 wier
发布于 2017/09/04 14:42
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这是java多线程第三篇:

《java 多线程—线程怎么来的》

《java多线程-内存模型》

上一篇《java多线程—内存模型》已经讲解了java线程中三特征以及happens-before 原则,这一篇主要讲解一下volatile的原理以及应用,想必看完这一篇之后,你会对volatile的应用原理以及使用边界会有更深刻的认知。本篇主要内容:

  1. volatile 读写同步原理
  2. volatile重排序原则
  3. volatile应用

 

关键字volatile是jvm提供的轻量级的同步机制,但它并不容易理解,而且在多数情况下用不到,被多数开发者抛弃并采用synchronized代替,synchronized属于重度锁,如果你对性能有高的要求,那么同等情况下,变量声明volatile会减小更少的同步开销。


在介绍之前,我们先抛出2个问题:

1、volatile究竟是如何保证共享变量的同步的?

2、i++操作为何对虚拟机来说不是原子操作?

 

一、volatile 读写同步原理

 

对变量进行volatile声明以后,会有以下特征:

1、可见性。  保证此变量对所有线程是可见的。

2、原子性 。只对任意单个volatile变量的读/写具有原子性(注意不是所有)。

3、有序性。被volatile声明过的变量会禁止指令重排序优化

 

happen-before 保证可见性

volatile变量的写-读可以实现线程之间的通信。happens-before是java内存模型向我们提供的内存可见性保证,这也就是我们第一个问题的解答,volatiel如何保证对共享变量同步的。

我们先回忆一下happens-before原则(我们只说和其相关的):

程序次序法则:如果在程序中,所有动作 A 出现在动作 B 之前,则线程中的每动作 A 都 happens-before 于该线程中的每一个动作 B。


Volatile 变量法则:对 Volatile 域的写入操作 happens-before 于每个后续对同一 Volatile 的读操作。


传递性:如果 A happens-before 于 B,且 B happens-before C,则 A happens-before C。


我们通过一个示例来说明这些规则的应用:

public class VolatileTest {

    private int a =0;

    private volatile int b=0;


    public void write(){

        a = 1;          //1

        b = 2;          //2

    }

    public void read(){

        int i = b;          //3

        int j = a;          //4

    }

}

比如现在有线程A和B,分别调取write和read方法

 

第一种情况:

线程A先执行write方法之后,线程B执行read方法。那么:

1、基于程序次序法则。1 happens-before 2; 3 happens-before 4

2、基于volatile原则。2 happens-before 3;

3、基于传递性原则。因为 1 happens-before 2,2 happens-before 3,3 happens-before 4。那么可以推断出 1 happens-before 4,2 happens-before 4。

此种情况下,我们可以认定此时线程B中可以读取到 线程A中写入的 a和b的值的。(a值没用声明volatile依然可以读取到,这个为何我们后面讲)

 

第二种情况:

线程B先执行read方法,之后线程A执行write方法。

1、基于程序次序法则。3 happens-before 4; 1 happens-before 2

2、基于volatile原则。无;

3、基于传递性原则。无传递;

此种情况下,我们可以此时认定线程B中没有读取到线程A中写入的a和b的值。

 

通过上面的分析我们可以对volatiel变量如此定义:

  •  当write一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。
  •  当read一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。


对于第一种情况,我们看上述示例如何write和read的:

那么读到这里,有一个困惑:上述变量a并没有声明为volatile ,为何能被刷新到主内存中,难道不会被处理器重排序么?

 

二、volatile限制重排序

 

上述中我们讲到volatile 中有一个特性,有序性,防止jvm对其重排序,那么究竟是如何做的,我们看一下。

重排序分为编译器重排序和处理器重排序。为了实现volatile内存语义,jvm会分别限制这两种类型的重排序类型。


编译器重排序

针对编译器制定的volatile重排序规则:

第一个操作

第二个操作

 

普通读/写

volatile读

volatile写

普通读/写

 

 

NO

volatile读

NO

NO

NO

volatile写

 

NO

NO

上述表中,NO表示jvm不可以重排序,保持当前顺序

比如第一行第三列中表示:第一个操作是变量的普通读写,第二个操作是volatile声明的变量写操作,那么此时对于操作1和操作2是不可以重排序的,保持当前顺序。

就好比上述示例中a 和b变量,满足此种情况,a和b的操作顺序不变。

上述规则用文字描述:

  • 当第二个操作是volatile写时,不管第一个操作是什么,都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
  • 当第一个操作是volatile读时,不管第二个操作是什么,都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
  • 当第一个操作是volatile写,第二个操作是volatile读时,不能重排序。


注意,jvm只保证2个操作保持如此规则,不能延伸到2个以上的操作上

 

处理器重排序

为了实现上述规则,jvm编译器在生成字节码的时候,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
在每个volatile读操作的前面插入一个LoadLoad屏障。
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

如此可以保证在任意处理器平台,任意的程序中都能得到正确的volatile重排序规则实现。


总结

volatile防止重排序,有什么作用?

happens-before是java内存模型向我们提供的内存可见性保证;而volatile的禁止重排序规则,包括volatile的编译器重排序规则和volatile的内存屏障插入策略,是jvm用来实现happens-before的方式。

比如上述程序中,根据happens-before的程序顺序规则:1 happens-before 2 ;3 happens-before 4.

而后根据volatile规则:2 happens-before 3. 如此操作 1、2、3、4的顺序得以延续。

也就是说volatile的禁止重排序规则,确保上述happens-before顺序。

 

三、应用

i++ 不是原子

上述原理介绍中,我们有说volatile只对只对任意单个volatile变量的读/写具有原子性,比如变量a的赋值操作,可以为原子的,但变量a++不为原子的,我们看个示例:

public class Test {

    private volatile  int count;

    public void increCount(){

        count++;
    }

    public void setCount(int count ){

        this.count=count;
    }

}

我们用javap 看下increCount的编译指令:

我看红色圈中的部分,increCount被分解了4个指令来操作,而 setCount只有1个指令来处理(原子的)。我们用代码的方式,increCount方法可以等价于以下:

    public void increCount(){

//        count++;
        int tmp =getCount();
        tmp=tmp+1;
        setCount(tmp);
    }

所以说volatile只对只对任意单个volatile变量的读/写具有原子性,而i++实际上它是一个由读取-修改-写入操作序列组成的组合操作,属于多个操作,所以不具备原子性。

 

volatile 应用原则

要使 volatile 变量提供理想的线程安全,必须同时满足下面两个条件:

  • 对变量的写操作不依赖于当前值。
  • 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。


也就是说被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态,包括变量的当前状态。

因此只有在状态真正独立于程序内其他内容时才能使用 volatile —— 这条规则能够避免将这些模式扩展到不安全的用例。

 

应用示例

 

1、赋值操作

上述 increCount中属于依赖当前count值的应用了,而setCount属于没有依赖当前值。所以后者属于线程安全。

 

2、线程取消

对一个线程取消或者中断的时候,有人会采用interrupted方法来中断,如果维护一个volatile变量来为何,无论外部线程如何调用,总能保证对当前线程的立即可见性。

public class  CancleThread implements Runnable{

    private volatile  boolean cancle = false;

    public void shutdown(){

        this.cancle=true;
    }

   

    public void run() {

        while (!cancle){

            //.....doSomeThing
        }

    }

}

当想终止这个线程的操作的时候,调用shutdown方法会比较安全。

 

通过以上原理和应用介绍,想必对于volatile不会那么陌生了,掌握原理,了解使用边界,让你的程序性能更高,可读性更强。我们如果严格遵循 volatile 的使用条件 —— 即变量真正独立于其他变量和自己以前的值 —— 在某些情况下可以使用 volatile 代替 synchronized 来简化代码。

 

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