詳解Java并發(fā)編程基礎(chǔ)之volatile
一、volatile的定義和實現(xiàn)原理
1、Java并發(fā)模型采用的方式
a）線程通信的機(jī)制主要有兩種：共享內(nèi)存和消息傳遞。
①共享內(nèi)存：線程之間共享程序的公共狀態(tài)，通過寫-讀共享內(nèi)存中的公共狀態(tài)來進(jìn)行隱式通信；
②消息傳遞：線程之間沒有公共狀態(tài)，線程之間 必須通過發(fā)送消息來顯式通信。
b）同步：用于控制不同線程之間操作發(fā)生相對順序。在
共享內(nèi)存模型中，同步是顯式的進(jìn)行的，需要顯示的指定某個方法或者代碼塊在線程執(zhí)行期間互斥進(jìn)行。
消息傳遞模型中，由于消息的發(fā)送必定在消息的接受之前，所以同步是隱式的進(jìn)行的。
c）Java并發(fā)采用的是共享內(nèi)存模型，線程之間通信總是隱式的進(jìn)行，而且這個通信是對程序員透明的。那么我們需要了解的是這個隱式通信的底層工作機(jī)制。
2、volatile的定義
Java編程語言中允許線程訪問共享變量，為了確保共享變量能夠被準(zhǔn)確和一致性的更新，線程應(yīng)該確保通過排它鎖單獨獲得這個變量。
3、volatile的底層實現(xiàn)原理
a）在編寫多線程程序中，使用volatile修飾的共享變量在進(jìn)行寫操作的時候，編譯器生成的匯編代碼中會多出一條lock指令，這條lock指令的作用：
- ①將當(dāng)前處理器緩存行中的數(shù)據(jù)寫回到系統(tǒng)內(nèi)存
- ②這個寫回內(nèi)存的操作會使得其他CPU里緩存了該內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)無效
b）參考下面的這張圖理解
二、volatile的內(nèi)存語義
1、volatile的特性
a）首先我們來看對單個變量的讀/寫的實現(xiàn)（單個變量的情況可以看做是對同一個鎖對這個變量的讀/寫進(jìn)行了同步），看下面的例子
package cn.jvm.test;
public class TestVolatile1 {
volatile long var1 = 0L;
public void set(long l) {
// TODO Auto-generated method stub
var1 = l;
}
public void getAndIncrement() {
// TODO Auto-generated method stub
var1 ++; //注意++操作
}
public long get() {
return var1;
}
}
上面的set和get操作在語義上和使用synchronized修飾后一樣，即下面的這種寫法
package cn.jvm.test;
public class TestVolatile1 {
volatile long var1 = 0L;
public synchronized void set(long l) {
// TODO Auto-generated method stub
var1 = l;
}
public synchronized long get() {
return var1;
}
}
b）但是在上面的用例中，我們使用的var1++操作，整體上沒有原子性，所以如果使用多線程方粉getAndIncrement方法的話，會導(dǎo)致讀出的數(shù)據(jù)和主存中不一致的情況。
c）volatile變量的特性
①可見性：對一個volatile變量的讀操作，總是能夠看到對這個volatile變量最后的寫入
②原子性：對任意單個volatile變量的讀寫具有原子性，但是對于volatile變量的復(fù)合型操作并不具備原子性
2、volatile寫-讀建立的happens-before關(guān)系
a）看下面的代碼實例
package cn.jvm.test;
public class TestVolatile2 {
int a = 0;
volatile boolean flag = false;
public void writer() {
a = 1;
flag = true;
}
public void reader() {
if(flag) {
int i =a;
//...其他操作
}
}
}
b）在上面的程序中，假設(shè)線程A執(zhí)行write方法，線程B執(zhí)行reader方法，根據(jù)happens-before規(guī)則有下面的關(guān)系：
程序次序規(guī)則：①happens-before②； ③happens-before④
volatile規(guī)則：②happens-before③
傳遞性規(guī)則：①happens-before④
所以可以得到下面的這個狀態(tài)圖
3、volatile的寫/讀內(nèi)存語義
a）下面是volatile的寫/讀內(nèi)存語義
①當(dāng)寫一個volatile變量時候，JMM會將線程對應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量值刷新到主內(nèi)存中
②當(dāng)讀一個volatile變量的時候，JMM會將線程對應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效，然后從主內(nèi)存中讀取共享變量
b）還是參照上面的程序示例，參考視圖的模型來進(jìn)行說明
①寫內(nèi)存語義的示意圖：假設(shè)線程A執(zhí)行writer方法，線程B執(zhí)行reader方法，初始狀況下線程A和B中的變量都是初始狀態(tài)
②寫內(nèi)存語義的示意圖：
三、volatile內(nèi)存語義的實現(xiàn)
我們上面說到的基本上從宏觀上而言都是說明了volatile保證內(nèi)存可見性問題，volatile的另一個語義就是禁止指令重排序的優(yōu)化。下面說一下volatile禁止指令重排序的實現(xiàn)細(xì)節(jié)
1、volatile重排序規(guī)則
①當(dāng)?shù)诙€操作是volatile寫的時候，不管第一個操作是什么，都不能進(jìn)行指令重排序。這個規(guī)則確保volatile寫之前的操作都不會被重排序到volatile寫之后。也是為了保證volatile寫對其他線程可見
②當(dāng)?shù)谝粋€操作為volatile讀的時候，不管第二個操作是什么，都不能進(jìn)行重排序。確保volatile讀之后的操作不會被重排序到volatile讀之前
③當(dāng)?shù)谝粋€操作是volatile寫，第二個操作是volatile讀的時候，不能進(jìn)行重排序
如下所示，上面的是下表中的總結(jié)。
2、內(nèi)存屏障
編譯器在生成字節(jié)碼的時候，會在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止對特定類型的處理器重排序。下面是集中策略，后面會說明這幾種情況
①在每個volatile寫操作之前插入StoreStore屏障
②在每個volatile寫操作之后插入StoreLoad屏障
③在每個volatile讀操作之后插入LoadLoad屏障
④在每個volatile讀操作之后插入LoadStore屏障
3、內(nèi)存屏障示例
a）volatile寫插入內(nèi)存屏障之后的指令序列圖
b）volatile讀插入內(nèi)存屏障后的指令序列圖
四、volatile與死循環(huán)問題
1、先看下面的示例代碼，觀察運(yùn)行結(jié)果，當(dāng)共享變量isRunning沒有被聲明為volatile的時候，main線程會在2秒之后將共享變量isRunning置為false并且輸出修改信息，這樣新建的線程應(yīng)該結(jié)束運(yùn)行，但是實際上并沒有，控制臺中會一直保持運(yùn)行的狀態(tài)，并且不會打印線程結(jié)束執(zhí)行；如下所示
package cn.jvm.test;
class ThreadDemo extends Thread {
private boolean isRunning = true;
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始執(zhí)行");
while(isRunning) {
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 結(jié)束執(zhí)行");
}
public boolean isRunning() {
return isRunning;
}
public void SetIsRunning(boolean isRunning) {
this.isRunning = isRunning;
}
}
public class TestVolatile4 {
public static void main(String[] args) {
ThreadDemo td = new ThreadDemo();
td.start();
try {
Thread.sleep(2000);
td.SetIsRunning(false);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 線程將共享變量值修改為false");
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
e.printStackTrace();
}
}
}
2、分析出現(xiàn)上面結(jié)果的原因
在啟動線程ThreadDemo之后，變量isRunning被存在公共堆棧以及線程的私有堆棧中，后//續(xù)中線程一直在私有堆棧中取出isRunning的值，雖然main線程執(zhí)行SetIsRunning方法修改了isRunning的值，但是這個值并沒有被Thread-//0線程所知，就像上面說的Thread-0取得值一直都是私有堆棧中的，所以不會知道isRunning被修改，也就不會退出循環(huán)
3、按照上面的原因分析一下執(zhí)行的時候的工作內(nèi)存和主內(nèi)存的情況，按照下面的分析我們很容易得出結(jié)論
上面的問題就是因為工作內(nèi)存（私有堆棧）和主內(nèi)存（公共堆棧）中的值不同步。而按照我們上面說到的volatile使得單個變量保證線程可見性，就可以對程序修改保證共享變量在main線程中的修改對Thread-0線程可見（結(jié)合volatile的實現(xiàn)原理）
4、修改之后的結(jié)果
package cn.jvm.test;
class ThreadDemo extends Thread {
private volatile boolean isRunning = true;
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始執(zhí)行");
while(isRunning) {
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 結(jié)束執(zhí)行");
}
public boolean isRunning() {
return isRunning;
}
public void SetIsRunning(boolean isRunning) {
this.isRunning = isRunning;
}
}
public class TestVolatile4 {
public static void main(String[] args) {
ThreadDemo td = new ThreadDemo();
td.start();
try {
Thread.sleep(2000);
td.SetIsRunning(false);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 線程將共享變量值修改為false");
} catch (Exception e) {
// TODO: handle exception
e.printStackTrace();
}
}
}
五、volatile對于復(fù)合操作非原子性問題
1、volatile能保證對單個變量在多線程之間的可見性問題，但是對于單個變量的復(fù)合操作不能保證原子性，如下代碼示例，運(yùn)行結(jié)果為
當(dāng)然這個結(jié)果是隨機(jī)的，但是不能保證運(yùn)行結(jié)果是100000
在沒有使用同步操作之前，雖然count變量是volatile的，但是由于count++操作是個復(fù)合操作
①從內(nèi)存中取出count的值
②計算count的值
③將count的值寫到內(nèi)存中
這個復(fù)合操作由于volatile不能保證原子性，所以就會出現(xiàn)錯誤
package cn.jvm.test;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class TestVolatile5 {
volatile int count = 0;
/*synchronized*/ void m(){
for(int i = 0; i < 10000; i++){
count++;
}
}
public static void main(String[] args) {
final TestVolatile5 t = new TestVolatile5();
List<Thread> threads = new ArrayList<>();
for(int i = 0; i < 10; i++){
threads.add(new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
t.m();
}
}));
}
for(Thread thread : threads){
thread.start();
}
for(Thread thread : threads){
try {
thread.join();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(t.count);
}
}
2、下面按照J(rèn)VM的內(nèi)存工作來分析一下，即當(dāng)前一個線程在計算count變量的時候，另一個線程已經(jīng)修改了count變量的值，這樣就必然會出現(xiàn)錯誤。所以對于這種復(fù)合操作就需要使用原子類或者使用synchronized來保證原子性（保證同步）
3、修改后的synchronized和使用原子類如下所示
package cn.jvm.test;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class TestVolatile5 {
int count = 0;
synchronized void m(){
for(int i = 0; i < 10000; i++){
count++;
}
}
public static void main(String[] args) {
final TestVolatile5 t = new TestVolatile5();
List<Thread> threads = new ArrayList<>();
for(int i = 0; i < 10; i++){
threads.add(new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
t.m();
}
}));
}
for(Thread thread : threads){
thread.start();
}
for(Thread thread : threads){
try {
thread.join();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(t.count);
}
}
package cn.jvm.test;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class TestVolatile5 {
AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
void m(){
for(int i = 0; i < 10000; i++){
count.getAndIncrement();
}
}
public static void main(String[] args) {
final TestVolatile5 t = new TestVolatile5();
List<Thread> threads = new ArrayList<>();
for(int i = 0; i < 10; i++){
threads.add(new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
t.m();
}
}));
}
for(Thread thread : threads){
thread.start();
}
for(Thread thread : threads){
try {
thread.join();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(t.count);
}
}
以上就是詳解Java并發(fā)編程基礎(chǔ)之volatile的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java 并發(fā)編程 volatile的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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