前言

上一篇文章說(shuō)了 CAS 原理，其中說(shuō)到了 Atomic* 類，他們實(shí)現(xiàn)原子操作的機(jī)制就依靠了 volatile 的內(nèi)存可見(jiàn)性特性。如果還不了解 CAS 和 Atomic*，建議看一下我們說(shuō)的 CAS 自旋鎖是什么

并發(fā)的三個(gè)特性

首先說(shuō)我們?nèi)绻褂?volatile 了，那肯定是在多線程并發(fā)的環(huán)境下。我們常說(shuō)的并發(fā)場(chǎng)景下有三個(gè)重要特性：原子性、可見(jiàn)性、有序性。只有在滿足了這三個(gè)特性，才能保證并發(fā)程序正確執(zhí)行，否則就會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題。

原子性，上篇文章說(shuō)到的 CAS 和 Atomic* 類，可以保證簡(jiǎn)單操作的原子性，對(duì)于一些負(fù)責(zé)的操作，可以使用synchronized 或各種鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)。

可見(jiàn)性，指當(dāng)多個(gè)線程訪問(wèn)同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

有序性，程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行，禁止進(jìn)行指令重排序?？此评硭?dāng)然的事情，其實(shí)并不是這樣，指令重排序是JVM為了優(yōu)化指令，提高程序運(yùn)行效率，在不影響單線程程序執(zhí)行結(jié)果的前提下，盡可能地提高并行度。但是在多線程環(huán)境下，有些代碼的順序改變，有可能引發(fā)邏輯上的不正確。

而 volatile 做實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)特性，可見(jiàn)性和有序性。所以說(shuō)在多線程環(huán)境中，需要保證這兩個(gè)特性的功能，可以使用 volatile 關(guān)鍵字。

volatile 是如何保證可見(jiàn)性的

說(shuō)到可見(jiàn)性，就要了解一下計(jì)算機(jī)的處理器和主存了。因?yàn)槎嗑€程，不管有多少個(gè)線程，最后還是要在計(jì)算機(jī)處理器中進(jìn)行的，現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)基本都是多核的，甚至有的機(jī)器是多處理器的。我們看一下多處理器的結(jié)構(gòu)圖：

這是兩個(gè)處理器，四核的 CPU。一個(gè)處理器對(duì)應(yīng)一個(gè)物理插槽，多處理器間通過(guò)QPI總線相連。一個(gè)處理器包含多個(gè)核，一個(gè)處理器間的多核共享L3 Cache。一個(gè)核包含寄存器、L1 Cache、L2 Cache。

在程序執(zhí)行的過(guò)程中，一定要涉及到數(shù)據(jù)的讀和寫(xiě)。而我們都知道，雖然內(nèi)存的訪問(wèn)速度已經(jīng)很快了，但是比起CPU執(zhí)行指令的速度來(lái)，還是差的很遠(yuǎn)的，因此，在內(nèi)核中，增加了L1、L2、L3 三級(jí)緩存，這樣一來(lái)，當(dāng)程序運(yùn)行的時(shí)候，先將所需要的數(shù)據(jù)從主存復(fù)制一份到所在核的緩存中，運(yùn)算完成后，再寫(xiě)入主存中。下圖是 CPU 訪問(wèn)數(shù)據(jù)的示意圖，由寄存器到高速緩存再到主存甚至硬盤(pán)的速度是越來(lái)越慢的。

了解了 CPU 結(jié)構(gòu)之后，我們來(lái)看一下程序執(zhí)行的具體過(guò)程，拿一個(gè)簡(jiǎn)單的自增操作舉例。

i=i+1;

執(zhí)行這條語(yǔ)句的時(shí)候，在某個(gè)核上運(yùn)行的某線程將 i 的值拷貝一個(gè)副本到此核所在的緩存中，當(dāng)運(yùn)算執(zhí)行完成后，再回寫(xiě)到主存中去。如果是多線程環(huán)境下，每一個(gè)線程都會(huì)在所運(yùn)行的核上的高速緩存區(qū)有一個(gè)對(duì)應(yīng)的工作內(nèi)存，也就是每一個(gè)線程都有自己的私有工作緩存區(qū)，用來(lái)存放運(yùn)算需要的副本數(shù)據(jù)。那么，我們?cè)賮?lái)看這個(gè) i+1 的問(wèn)題，假設(shè) i 的初始值為0，有兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行這條語(yǔ)句，每個(gè)線程執(zhí)行都需要三個(gè)步驟：

1、從主存讀取 i 值到線程工作內(nèi)存，也就是對(duì)應(yīng)的內(nèi)核高速緩存區(qū)；

2、計(jì)算 i+1 的值；

3、將結(jié)果值寫(xiě)回主存中；

建設(shè)兩個(gè)線程各執(zhí)行 10,000 次后，我們預(yù)期的值應(yīng)該是 20,000 才對(duì)，可惜很遺憾，i 的值總是小于 20,000 的 。導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題的其中一個(gè)原因就是緩存一致性問(wèn)題，對(duì)于這個(gè)例子來(lái)說(shuō)，一旦某個(gè)線程的緩存副本做了修改，其他線程的緩存副本應(yīng)該立即失效才對(duì)。

而使用了 volatile 關(guān)鍵字后，會(huì)有如下效果：

1、每次對(duì)變量的修改，都會(huì)引起處理器緩存（工作內(nèi)存）寫(xiě)回到主存；

2、一個(gè)工作內(nèi)存回寫(xiě)到主存會(huì)導(dǎo)致其他線程的處理器緩存（工作內(nèi)存）無(wú)效。

因?yàn)?volatile 保證內(nèi)存可見(jiàn)性，其實(shí)是用到了 CPU 保證緩存一致性的 MESI 協(xié)議。MESI 協(xié)議內(nèi)容較多，這里就不做說(shuō)明，請(qǐng)各位同學(xué)自己去查詢一下吧。總之用了 volatile 關(guān)鍵字，當(dāng)某線程對(duì) volatile 變量的修改會(huì)立即回寫(xiě)到主存中，并且導(dǎo)致其他線程的緩存行失效，強(qiáng)制其他線程再使用變量時(shí)，需要從主存中讀取。

那么我們把上面的 i 變量用 volatile 修飾后，再次執(zhí)行，每個(gè)線程執(zhí)行 10,000 次。很遺憾，還是小于 20,000 的。這是為什么呢？

volatile 利用 CPU 的 MESI 協(xié)議確實(shí)保證了可見(jiàn)性。但是，注意了，volatile 并沒(méi)有保證操作的原子性，因?yàn)檫@個(gè)自增操作是分三步的，假設(shè)線程 1 從主存中讀取了 i 值，假設(shè)是 10 ，并且此時(shí)發(fā)生了阻塞，但是還沒(méi)有對(duì)i進(jìn)行修改，此時(shí)線程 2 也從主存中讀取了 i 值，這時(shí)這兩個(gè)線程讀取的 i 值是一樣的，都是 10 ，然后線程 2 對(duì) i 進(jìn)行了加 1 操作，并立即寫(xiě)回主存中。此時(shí)，根據(jù) MESI 協(xié)議，線程 1 的工作內(nèi)存對(duì)應(yīng)的緩存行會(huì)被置為無(wú)效狀態(tài)，沒(méi)錯(cuò)。但是，請(qǐng)注意，線程 1 早已經(jīng)將 i 值從主存中拷貝過(guò)了，現(xiàn)在只要執(zhí)行加 1 操作和寫(xiě)回主存的操作了。而這兩個(gè)線程都是在 10 的基礎(chǔ)上加 1 ，然后又寫(xiě)回主存中，所以最后主存的值只是 11 ，而不是預(yù)期的 12 。

所以說(shuō)，使用 volatile 可以保證內(nèi)存可見(jiàn)性，但無(wú)法保證原子性，如果還需要原子性，可以參考，之前的這篇文章。

volatile 是如何保證有序性的

Java 內(nèi)存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過(guò)任何手段就能夠得到保證的有序性，這個(gè)通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個(gè)操作的執(zhí)行次序無(wú)法從 happens-before 原則推導(dǎo)出來(lái)，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意地對(duì)它們進(jìn)行重排序。

如下是 happens-before 的8條原則，摘自 《深入理解Java虛擬機(jī)》。

• 程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)，按照代碼順序，書(shū)寫(xiě)在前面的操作先行發(fā)生于書(shū)寫(xiě)在后面的操作；
• 鎖定規(guī)則：一個(gè) unLock 操作先行發(fā)生于后面對(duì)同一個(gè)鎖的 lock 操作；
• volatile 變量規(guī)則：對(duì)一個(gè)變量的寫(xiě)操作先行發(fā)生于后面對(duì)這個(gè)變量的讀操作；
• 傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C；
• 線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對(duì)象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個(gè)一個(gè)動(dòng)作；
• 線程中斷規(guī)則：對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測(cè)到中斷事件的發(fā)生；
• 線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測(cè)，我們可以通過(guò)Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測(cè)到線程已經(jīng)終止執(zhí)行；
• 對(duì)象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于他的 finalize() 方法的開(kāi)始；

這里主要說(shuō)一下 volatile 關(guān)鍵字的規(guī)則，舉一個(gè)著名的單例模式中的雙重檢查的例子：

class Singleton{ 
 private volatile static Singleton instance = null; 
 private Singleton() {  
 } 
  
 public static Singleton getInstance() { 
  if(instance==null) {    // step 1
   synchronized (Singleton.class) { 
    if(instance==null)   // step 2
     instance = new Singleton(); //step 3
   } 
  } 
  return instance; 
 } 
} 

如果 instance 不用 volatile 修飾，可能產(chǎn)生什么結(jié)果呢，假設(shè)有兩個(gè)線程在調(diào)用 getInstance() 方法，線程 1 執(zhí)行步驟 step1 ，發(fā)現(xiàn) instance 為 null ，然后同步鎖住 Singleton 類，接著再次判斷 instance 是否為 null ，發(fā)現(xiàn)仍然是 null，然后執(zhí)行 step 3 ，開(kāi)始實(shí)例化 Singleton 。而在實(shí)例化的過(guò)程中，線程 2 走到 step 1，有可能發(fā)現(xiàn) instance 不為空，但是此時(shí) instance 有可能還沒(méi)有完全初始化。

什么意思呢，對(duì)象在初始化的時(shí)候分三個(gè)步驟，用下面的偽代碼表示：

memory = allocate(); //1. 分配對(duì)象的內(nèi)存空間 
ctorInstance(memory); //2. 初始化對(duì)象
instance = memory; //3. 設(shè)置 instance 指向?qū)ο蟮膬?nèi)存空間

因?yàn)椴襟E 2 和步驟 3 需要依賴步驟 1，而步驟 2 和 步驟 3 并沒(méi)有依賴關(guān)系，所以這兩條語(yǔ)句有可能會(huì)發(fā)生指令重排，也就是或有可能步驟 3 在步驟 2 的之前執(zhí)行。在這種情況下，步驟 3 執(zhí)行了，但是步驟 2 還沒(méi)有執(zhí)行，也就是說(shuō) instance 實(shí)例還沒(méi)有初始化完畢，正好，在此刻，線程 2 判斷 instance 不為 null，所以就直接返回了 instance 實(shí)例，但是，這個(gè)時(shí)候 instance 其實(shí)是一個(gè)不完全的對(duì)象，所以，在使用的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

而使用 volatile 關(guān)鍵字，也就是使用了 “對(duì)一個(gè) volatile修飾的變量的寫(xiě)，happens-before于任意后續(xù)對(duì)該變量的讀” 這一原則，對(duì)應(yīng)到上面的初始化過(guò)程，步驟2 和 3 都是對(duì) instance 的寫(xiě)，所以一定發(fā)生于后面對(duì) instance 的讀，也就是不會(huì)出現(xiàn)返回不完全初始化的 instance 這種可能。

JVM 底層是通過(guò)一個(gè)叫做“內(nèi)存屏障”的東西來(lái)完成。內(nèi)存屏障，也叫做內(nèi)存柵欄，是一組處理器指令，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)存操作的順序限制。

最后

通過(guò) volatile 關(guān)鍵字，我們了解了一下并發(fā)編程中的可見(jiàn)性和有序性，當(dāng)然只是簡(jiǎn)單的了解。更深入的了解，還得靠各位同學(xué)自己去鉆研。

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我們說(shuō)的 CAS 自旋鎖是什么

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，如果有疑問(wèn)大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。

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