JavaSE 详解volatile关键字
2017-06-20 14:30
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volatile特性
(1)内存可见性:通俗来说就是,线程A对一个volatile变量的修改,对于其它线程来说是可见的,即线程每次获取volatile变量的值都是最新的。(2)有序性:禁止进行指令重排序。
如何保证内存可见性?
在java虚拟机的内存模型中,有主内存和工作内存的概念,Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中。每条线程中还有自己的工作内存,线程的工作内存中保存了被该线程所使用到的变量(这些变量是从主内存中拷贝而来)。线程对变量的所有操作(读取,赋值)都必须在工作内存中进行。不同线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成。下面看看操作普通变量和volatile变量有什么不同:1、对于普通变量:读操作会优先读取工作内存的数据,如果工作内存中不存在,则从主内存中拷贝一份数据到工作内存中;写操作只会修改工作内存的副本数据,这种情况下,其它线程就无法读取变量的最新值。
2、对于volatile变量,读操作时JMM(Java Memory Model)会把工作内存中对应的值设为无效,要求线程从主内存中读取数据;写操作时JMM会把工作内存中对应的数据刷新到主内存中,这种情况下,其它线程就可以读取变量的最新值。
如何保证内存有序性?
首先什么事有序性?举个简单的例子,看下面这段代码:
int i = 0; boolean flag = false; i = 1; //语句1 flag = true; //语句2
上面代码定义了一个int型变量,定义了一个boolean类型变量,然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看,语句1是在语句2前面的,那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?不一定,为什么呢?这里可能会发生指令重排序(Instruction Reorder)。
下面解释一下什么是指令重排序,一般来说,处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。
比如上面的代码中,语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响,那么就有可能在执行过程中,语句2先执行而语句1后执行。
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变量的读操作或者写操作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。
可能上面说的比较绕,举个简单的例子:
//x、y为非volatile变量 //flag为volatile变量 int x = 2; //语句1 int y = 0; //语句2 volatile flag = true; //语句3 int x = 4; //语句4 int y = -1; //语句5
由于flag变量为volatile变量,那么在进行指令重排序的过程的时候,不会将语句3放到语句1、语句2前面,也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。
并且volatile关键字能保证,执行到语句3时,语句1和语句2必定是执行完毕了的,且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。
那么我们再举一个例子:
//线程1: context = loadContext(); //语句1 inited = true; //语句2 //线程2: while(!inited ){ sleep() } doSomethingwithconfig(context);
前面举这个例子的时候,提到有可能语句2会在语句1之前执行,那么久可能导致context还没被初始化,而线程2中就使用未初始化的context去进行操作,导致程序出错。
这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰,就不会出现这种问题了,因为当执行到语句2时,必定能保证context已经初始化完毕。
其背后的原理是,Lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障(也成内存栅栏),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。
volatile的使用场景
通过关键字sychronize可以防止多个线程进入同一段代码,在某些特定场景中,volatile相当于一个轻量级的sychronize,因为不会引起线程的上下文切换,但是使用volatile必须满足两个条件:1、对变量的写操作不依赖当前值,如多线程下执行a++,是无法通过volatile保证结果准确性的;
2、该变量没有包含在具有其它变量的不变式中,这句话有点拗口,看代码比较直观。
public class NumberRange { private volatile int lower = 0; private volatile int upper = 10; public int getLower() { return lower; } public int getUpper() { return upper; } public void setLower(int value) { if (value > upper) throw new IllegalArgumentException(...); lower = value; } public void setUpper(int value) { if (value < lower) throw new IllegalArgumentException(...); upper = value; } }
上述代码中,上下界初始化分别为0和10,假设线程A和B在某一时刻同时执行了setLower(8)和setUpper(5),且都通过了不变式的检查,设置了一个无效范围(8, 5),所以在这种场景下,需要通过sychronize保证方法setLower和setUpper在每一时刻只有一个线程能够执行。
1、状态标记量
//线程1 boolean stop = false; while(!stop){ doSomething(); } //线程2 stop = true;
这段代码是很典型的一段代码,很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上,这段代码会完全运行正确么?即一定会将线程中断么?不一定,也许在大多数时候,这个代码能够把线程中断,但是也有可能会导致无法中断线程(虽然这个可能性很小,但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了)。
下面解释一下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。
但是用volatile修饰之后就变得不一样了:
第一:使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;
第二: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);
第三: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。
那么在线程2修改stop值时(当然这里包括2个操作,修改线程2工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,然后线程1读取时,发现自己的缓存行无效,它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后,然后去对应的主存读取最新的值。
那么线程1读取到的就是最新的正确的值。
volatile不能确保原子性
下面看一个例子: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(); } while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); } }
大家想一下这段程序的输出结果是多少?也许有些朋友认为是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。
可能有的朋友就会有疑问,不对啊,上面是对变量inc进行自增操作,由于volatile保证了可见性,那么在每个线程中对inc自增完之后,在其他线程中都能看到修改后的值啊,所以有10个线程分别进行了1000次操作,那么最终inc的值应该是1000*10=10000。
这里面就有一个误区了,volatile关键字能保证可见性没有错,但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值,但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
inc++; 这条语句由3条指令组成:
(1)将 inc 的值从内存加载到 cpu 的某个寄存器r
(2)将 寄存器r 的值 +1,结果存放在 寄存器s
(3)将 寄存器s 中的值写回内存
所以,如果有多个线程同时在执行 inc++;,在某个线程执行完第(3)步之前,其它线程是看不到它的执行结果的。
在前面已经提到过,自增操作是不具备原子性的,它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行,就有可能导致下面这种情况出现:
假如某个时刻变量inc的值为10,
线程1对变量进行自增操作,线程1先读取了变量inc的原始值,然后线程1被阻塞了;
然后线程2对变量进行自增操作,线程2也去读取变量inc的原始值,由于线程1只是对变量inc进行读取操作,而没有对变量进行修改操作,所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效,也不会导致主存中的值刷新,所以线程2会直接去主存读取inc的值,发现inc的值时10,然后进行加1操作,并把11写入工作内存,最后写入主存。
然后线程1接着进行加1操作,由于已经读取了inc的值,注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10,所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11,然后将11写入工作内存,最后写入主存。
那么两个线程分别进行了一次自增操作后,inc只增加了1。
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。
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