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Java 多线程：volatile 变量、happens-before 关系及内存一致性

2021-01-14 21:03 736 查看

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请参考来自 Jean-philippe Bempel 的评论。他提到了一个真实因 JVM 优化导致死锁的例子。我尽可能多地写博客的原因之一是一旦自己理解错了，可以从社区中学到很多。谢谢！

什么是 Volatile 变量？

Volatile 是 Java 中的一个关键字。你不能将它设置为变量或者方法名，句号。

认真点，别开玩笑,什么是 Volatile 变量？我们应该什么时候使用它？

哈哈，对不起，没法提供帮助。

volatile 关键字的典型使用场景是在多线程环境下，多个线程共享变量，由于这些变量会缓存在 CPU 的缓存中，为了避免出现内存一致性错误而采用 volatile 关键字。

考虑下面这个生产者/消费者的例子，我们每次生成/消费一个元素：

public class ProducerConsumer {
private String value = "";
private boolean hasValue = false;
public void produce(String value) {
while (hasValue) {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("Producing " + value + " as the next consumable");
this.value = value;
hasValue = true;
}
public String consume() {
while (!hasValue) {
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
String value = this.value;
hasValue = false;
System.out.println("Consumed " + value);
return value;
}
}

在上面的类中，produce 方法通过存储参数来生成一个新的值，然后将 hasValue 设置为 true。while 循环检测标识变量（hasValue）是否 true，true 表示一个新的值没有被消费，要求当前线程睡眠（sleep），该睡眠一直循环直到标识变量 hasValue 变为 false，只有在新的值被 consume 方法消费完成后才能变为 false。如果没有有效的新值，consume 方法要求当前睡眠，当一个 produce 方法生成一个新值时，睡眠循环终止，并改变标识变量的值。

现在想象有两个线程在使用这个类的对象，一个生成值（写线程），另个一个消费值（读线程）。通过下面的测试来解释这种方式：

public class ProducerConsumerTest {
<a href='http://www.jobbole.com/members/madao'>@Test</a>
public void testProduceConsume() throws InterruptedException {
ProducerConsumer producerConsumer = new ProducerConsumer();
List<String> values = Arrays.asList("1", "2", "3", "4", "5", "6", "7", "8",
"9", "10", "11", "12", "13");
Thread writerThread = new Thread(() -> values.stream()
.forEach(producerConsumer::produce));
Thread readerThread = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i > values.size(); i++) {
producerConsumer.consume();
}
});
writerThread.start();
readerThread.start();
writerThread.join();
readerThread.join();
}
}

这个例子大部分时候都能输出期望的结果，但是也有很大概率会出现死锁！

怎么会？

我们先简单讨论一下计算机的结构。

我们都知道计算机是由内存单元和 CPU （还有许多其他部分）组成。主内存就是程序指令、变量、数据存储的地方。程序执行期间，为了获得更好的性能，CPU 可能会将变量拷贝到自己的内存中（即所谓的 CPU 缓存）。由于现代计算机有多个 CPU，同样也存在多个 CPU 缓存。

在多线程环境下，有可能多个线程同时执行，每个线程使用不同的 CPU（虽然这完全依赖于底层的操作系统），每个 CPU 都从主内存中拷贝变量到它自己的缓存中。当一个线程访问这些变量时，是直接访问缓存中的副本，而不是真正访问主内存中的变量。

现在，假设在我们的测试中有两个线程运行在不同的 CPU 上，并且其中的有一个缓存了标识变量（或者两个都缓存了）。现在考虑如下的执行顺序

1、写线程生成一个值，并将 hasValue 设置为 true。但是只更新缓存中的值，而不是主内存。

2、读线程尝试消费一个值，但是它的缓存副本中 hasValue 被设置为 false，所以即使写线程生产了一个新的值，也不能被消费，因为读线程无法跳出睡眠循环（hasValue 的值为 false）。

3、因为读线程不能消费新生成的值，所以写线程也不能继续，因为标识变量没有设置回 false，因此写线程阻塞在睡眠循环中。

4、这样，就产生了死锁！

这种情况只有在 hasValue 同步到所有缓存才能改变，这完全依赖于底层的操作系统。

那怎么解决这个问题？ volatile 怎么会适合这个例子？

如果我们将 hasValue 标示为 volatile，我就能确定这种死锁就不会再发生。

private volatile boolean hasValue = false;

volatile 变量强制线程每次读取的时候都直接从主内存中读取，同时，每次写 volatile 变量的时候也要立即刷新主内存中的值。如果线程决定缓存变量，就需要每次读写的时候都与主内存进行同步。

做这个改变之后，我们再来考虑前面导致死锁的执行步骤

1、写线程生成一个值，并将 hasValue 设置为 true，这次直接更新主内存中的值（即使这个变量被缓存了）。

2、读线程尝试消费一个值，先检查 hasValue 的值，每次读取都强制直接从主内存中获取值，所以能获取到写线程改变后的值。

3、读线程消费完生成的值后，重新设置标识变量的值，这个新的值也会同步到主内存（如果这个值被缓存了，缓存的副本也会更新）。

4、写线程获每次都是从主内存中取这个改变了的值，这样就能继续生成新的值。

现在，大家都很幸福了^_^ !

我知道了，强制线程直接从内存中读写线程，这是 Volatile 所能做全部的事情吗？

实际上，它还有更多的功能。访问一个 volatile 变量会在语句间建立 happens-before 关系。

什么是 happens-before 关系？

happens-before 关系是程序语句之间的排序保证，这能确保任何内存的写，对其他语句都是可见的。

这与 Volatile 是怎么关联的？

当写一个 volatile 变量时，随后对该变量读时会创建一个 happens-before 关系。所以，所有在 volatile 变量写操作之前完成的写操作，将会对随后该 volatile 变量读操作之后的所有语句可见。

嗯…,好吧…，我有点明白了，但是可能通过一个例子会更清楚。

好，对这个模糊的概念我表示很抱歉。考虑下面这个例子：

// Definition: Some variables
// 变量定义
private int first = 1;
private int second = 2;
private int third = 3;
private volatile boolean hasValue = false;
// First Snippet: A sequence of write operations being executed by Thread 1
//片段 1：线程 1 顺序的写操作
first = 5;
second = 6;
third = 7;
hasValue = true;
// Second Snippet: A sequence of read operations being executed by Thread 2
//片段 2：线程 2 顺序的读操作
System.out.println("Flag is set to : " + hasValue);
System.out.println("First: " + first); // will print 5 打印 5
System.out.println("Second: " + second); // will print 6 打印 6
System.out.println("Third: " + third); // will print 7 打印 7

我们假设上面的两个代码片段有由两个线程执行：线程 1 和线程 2。当第一个线程改变 hasValue 的值时，它不仅仅是刷新这个改变的值到主存，也会引起前面三个值的写（之前任何的写操作）刷新到主存。结果，当第二个线程访问这三个变量的时候，就可以访问到被线程 1 写入的值，即使这些变量之前被缓存（这些缓存的副本都会被更新）。

这就是为什么我们不需要像第一个示例一样将变量标示为 volatile 。因为我们的写操作在访问 hasValue 之前，读操作在 hasValue 的读之后，它会自动与主内存同步。

还有另一个有趣的结论。JVM 因它的程序优化机制而闻名。有时对程序语句的重排序可以大幅度提高性能，并且不会改变程序的输出结果。例如，它可能会修改如语句的顺序：

first = 5;
second = 6;
third = 7;

为：

second = 6;
third = 7;
first = 5;

但是，当多条语句涉及到对 volatile 变量的访问时，它永远不会将 volatile 变量前的写语句放在 volatile 变量之后，意思就是，它永远不会转换下列顺序：

first = 5; // write before volatile write //volatile 写之前的写
second = 6; // write before volatile write //volatile 写之前的写
third = 7; // write before volatile write //volatile 写之前的写
hasValue = true;

为：

first = 5;
second = 6;
hasValue = true;
third = 7; // Order changed to appear after volatile write! This will never happen!
third = 7; // 顺序发生了改变，出现在了 volatile 写之后。这永远不会发生。

即使从程序的正确性的角度来说，上面两种情况是相等的。但请注意，JVM 仍然允许对前三个变量的写操作进行重排序，只要它们都出现在 volatile 写之前即可。

类似的，JVM 也不会将 volatile 变量读之后的读操作重排序到 volatile 变量之前。意思就是说，下面的顺序：

System.out.println("Flag is set to : " + hasValue); // volatile read //volatile 读
System.out.println("First: " + first); // Read after volatile read // volatile 读之后的读
System.out.println("Second: " + second); // Read after volatile read// volatile 读之后的读
System.out.println("Third: " + third); // Read after volatile read// volatile 读之后的读

JVM 永远不会转换为如下的顺序：

System.out.println("First: " + first); // Read before volatile read! Will never happen! //volatile 读之前的读！永远不可能出现！
System.out.println("Fiag is set to : " + hasValue); // volatile read //volatile 读
System.out.println("Second: " + second);
System.out.println("Third: " + third);

但是，JVM 也有可能会对最后的三个读操作重排序，只要它们在 volatile 变量读之后即可。

我感觉 Volatile 变量会对性能有一定的影响。

你的感觉是对的，因为 volatile 变量强制访问主存，而访问主存肯定被访问 CPU 缓存慢。同时，它还防止 JVM 对程序的优化，这也会降低性能。

我们总能用 Volatile 变量来维护多线程之间的数据一致性吗？

非常不幸，这是不行的。当多个线程读写同一个变量时，仅仅靠 volatile 是不足以保证一致性的，考虑下面这个 UnsafeCounter 类：

public class UnsafeCounter {
private volatile int counter;
public void inc() {
counter++;
}
public void dec() {
counter--;
}
public int get() {
return counter;
}
}

测试如下：

public class UnsafeCounterTest {
<a href='http://www.jobbole.com/members/madao'>@Test</a>
public void testUnsafeCounter() throws InterruptedException {
UnsafeCounter unsafeCounter = new UnsafeCounter();
Thread first = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
unsafeCounter.inc();
}
});
Thread second = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
unsafeCounter.dec();
}
});
first.start();
second.start();
first.join();
second.join();
System.out.println("Current counter value: " + unsafeCounter.get());
}
}

这段代码具有非常好的自说明性。一个线程增加计数器，另一个线程将计数器减少同样次数。运行这个测试，期望的结果是计数器的值为 0，但这无法得到保证。大部分时候是 0，但有的时候是 -1, -2, 1, 2 等，任何位于[-5, 5]之间的整数都有可能。

为什么会发生这种情况?这是因为对计数器的递增和递减操作都不是原子的——它们不是一次完成的。这两种操作都由多个步骤组成，这些步骤可能相互交叉。你可以认为递增操作如下：

读取计数器的值。
加 1。
将新的值写回计数器。

递减操作的过程如下：

读取计数器的值。
减 1。
将新的值写回计数器。

现在我们考虑一下如下的执行步骤

第一个线程从主存中读取计数器的值，初始值是 0，然后加 1。

第二个线程也从主存中读取计数器的值，它读取到的值也是 0，然后进行减 1 操作。

第一线程将新的计数器的值写回内存，将值设置为 1。

第二个线程也将新的值写回内存，将值设置为 -1。

怎么防止这类事件的发生？

使用同步：

public class SynchronizedCounter {
private int counter;
public synchronized void inc() {
counter++;
}
public synchronized void dec() {
counter--;
}
public synchronized int get() {
return counter;
}
}

或者使用 AtomicInteger：

public class AtomicCounter {
private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
public void inc() {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
public void dec() {
atomicInteger.decrementAndGet();
}
public int get() {
return atomicInteger.intValue();
}
}

我个人的选择是使用 AtomicInteger，因为 synchronized 只允许一个线程访问 inc/get/get 方法，对性能影响较大。

我注意到采用 Synchronized 的版本并没有将计数器标识为 volatile，难道这意味着……?

对的。使用 synchronized 关键字也会在语句之间建立 happens-before 关系。进入一个同步方法或块时，会将之前的语句和该方法或块内部的语句建立 happens-before 关系。

查看完整的建立 happens-before 关系的情况列表，请查看这里。

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/package-summary.html#MemoryVisibility

关于一开始提到的 volatile, 这些是所有我想说的。所有的例子都上传到了我的 github 仓库。

https://github.com/sayembd/JavaSamples/commit/d1f72ee8bf76f69740b6d22e35d8e1431f279afb

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