volatile

Java.png

内存模型的相关概念

计算机在执行程序时,每条指令都是在 CPU 中执行的。而执行指令过程中,势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存(物理内存)当中的。这时就存在一个问题,由于 CPU 执行速度很快,而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟 CPU 执行指令的速度比起来要慢的多。因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行,会大大降低指令执行的速度。因此在 CPU 里面就有了高速缓存。也就是当程序在运行过程中,会将运算需要的数据从主存复制一份到 CPU 的高速缓存当中。那么 CPU 进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据。当运算结束之后,再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。

举个简单的例子,比如下面的这段代码:

i = i + 1

在早期的 CPU 当中,是通过在总线上加 LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为 CPU 和其他部件进行通信都是通过总线来进行的,如果对总线加 LOCK#锁的话,也就是说阻塞了其他 CPU 对其他部件访问(如内存),从而使得只能有一个 CPU 能使用这个变量的内存。比如上面例子中,如果一个线程在执行 i = i +1,如果在执行这段代码的过程中,在总线上发出了 LCOK#锁的信号,那么只有等待这段代码完全执行完毕之后,其他 CPU 才能从变量 i 所在的内存读取变量,然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

但是上面的方式会有一个问题,由于在锁住总线期间,其他 CPU 无法访问内存,导致效率低下。所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是 Intel 的 MESI 协议,MESI 协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是:当 CPU 写数据时,如果发现操作的变量是共享变量,即在其他 CPU 中也存在该变量的副本,会发出信号通知其他 CPU 将该变量的缓存行置为无效状态,因此当其他 CPU 需要读取这个变量时,发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的,那么它就会从内存重新读取。

并发编程中的三个概念

原子性

即一个操作或者多个操作,要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。

可见性

当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。

有序性

即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子

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).什么是指令重排序?

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。但是要注意,虽然处理器会对指令进行重排序,但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同,那么它靠什么保证的呢? 再看下面一个例子:

int a = 10;    //语句1
int r = 2;    //语句2
a = a + 3;    //语句3
r = a * a;     //语句4

这段代码有 4 个语句,那么可能的一个执行顺序是:

那么可不可能是这个执行顺序呢: 语句 2 -- 语句 1 -- 语句 4 -- 语句 3 ?

不可能,因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性,如果一个指令 Instruction2 必须用到 Instruction1 的结果,那么处理器会保证 Instruction1 会在 Instruction 2 之前执行。

虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果,但是多线程呢? 下面看一个例子:

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代码中,由于语句 1 和语句 2 没有数据依赖性,因此可能会被重排序。假如发生了重排序,在线程 1 执行过程中先执行语句 2,而此时线程 2 会以为初始化工作已经完成,那么就会跳出 while 循环,去执行 doSomethingwithconfig(context)方法,而此时 context 并没有被初始化,就会导致程序出错。

也就是说,要想并发程序正确地执行,必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证,就有可能会导致程序运行不正确。

Java 内存模型

在 Java 虚拟机规范中试图定义一种 Java 内存模型(Java Memory Model,JMM)来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异,以实现让 Java 程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。那么 Java 内存模型规定了哪些东西呢?

Java 内存模型规定所有的变量都是存在主存当中(类似于前面说的物理内存),每个线程都有自己的工作内存(类似于前面的高速缓存).线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。

举个简单的例子:

i  = 10;

执行线程必须先在自己的工作线程中对变量 i 所在的缓存行进行赋值操作,然后再写入主存当中。而不是直接将数值 10 写入主存当中。

那么 Java 语言本身对原子性、可见性以及有序性提供了哪些保证呢?

1.原子性

在 Java 中,对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作,即这些操作是不可被中断的,要么执行,要么不执行。看下面一个例子,请分析以下哪些操作是原子性操作:

x = 10;         //语句1
y = x;         //语句2
x++;           //语句3
x = x + 1;     //语句4

只有语句 1 是原子性操作,其他三个语句都不是原子性操作。
语句 1 是直接将数值 10 赋值给 x,也就是说线程执行这个语句的会直接将数值 10 写入到工作内存中。
语句 2 包含 2 个操作,读取 x 的值,将 x 的值写入工作内存,虽然读取 x 的值以及将 x 的值写入工作内存这 2 个操作都是原子性操作,但是合起来就不是原子性操作了。
同样的,x++ 和 x = x+1 包括 3 个操作:读取 x 的值,进行加 1 操作,写入新的值。
所以上面 4 个语句只有语句 1 的操作具备原子性。也就是说,只有简单的读取、赋值(而且必须是将数字赋值给某个变量,变量之间的相互赋值不是原子操作)才是原子操作。
有一点需要注意:在 32 位平台下,对 64 位数据的读取和赋值是需要通过两个操作来完成的,不能保证其原子性。但是好像在最新的 JDK 中,JVM 已经保证对 64 位数据的读取和赋值也是原子性操作了。
从上面可以看出,Java 内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作,如果要实现更大范围操作的原子性,可以通过 synchronized 和 Lock 来实现。由于 synchronized 和 Lock 能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块,那么自然就不存在原子性问题了,从而保证了原子性。

2.可见性

对于可见性,Java 提供了 volatile 关键字来保证可见性。

当一个共享变量被 volatile 修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。

而普通的共享变量不能保证可见性,因为普通共享变量被修改之后,什么时候被写入主存是不确定的,当其他线程去读取时,此时内存中可能还是原来的旧值,因此无法保证可见性。

另外,通过 synchronized 和 Lock 也能够保证可见性,synchronized 和 Lock 能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

3.有序性

在 Java 内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。

在 Java 里面,可以通过 volatile 关键字来保证一定的“有序性”.另外可以通过 synchronized 和 Lock 来保证有序性,很显然,synchronized 和 Lock 保证每个时刻是有一个线程执行同步代码,相当于是让线程顺序执行同步代码,自然就保证了有序性。

另外,Java 内存模型具备一些先天的"有序性",即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性,这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从 happens-before 原则推导出来,那么它们就不能保证它们的有序性,虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

下面就来具体介绍下 happens-before 原则(先行发生原则):

深入剖析 volatile 关键字

volatile 关键字的两层语义

  1. 保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性,即一个线程修改了某个变量的值,这新值对其他线程来说是立即可见的。
  2. 禁止进行指令重排序。

先看一段代码,假如线程 1 先执行,线程 2 后执行:

//线程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
//线程2
stop = true;

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:

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。

volatile 保证原子性吗?

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);
    }
}

运行上面代码会发现每次运行结果都不一致,都是一个小于 10000 的数字。那么上面是对变量 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.

这里有一个误区,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。

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:

可能有朋友会有疑问,不对啊,前面不是保证一个变量在修改 volatile 变量时,会让缓存行无效吗?然后其他线程去读就会读到新的值。对,这个没错。这个就是上面的 happens-before 规则中的 volatile 变量规则,但是要注意,线程 1 对变量进行读取操作之后,被阻塞了的话,并没有对 inc 值进行修改。然后虽然 volatile 能保证线程 2 对变量 inc 的值读取是从内存中读取的,但是线程 1 没有进行修改,所以线程 2 根本就不会看到修改的值。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。

把上面的代码改成以下任何一种都可以达到效果:

public class Test {
    public  int inc = 0;
  
    public synchronized 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);
    }
}
public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
  
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
  
    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);
    }
}
public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
   
    public  void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
  
    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);
    }
}

在 Java 1.5 的 java.util.concurrent.atomic 包下提供了一些原子操作类,即对基本数据类型的自增(加 1 操作)、自减(减 1 操作)、以及加法操作(加一个数),减法操作(减一个数)进行了封装,保证这些操作是原子性操作。atomic 是利用 CAS 来实现原子性操作的(Compare And Swap),CAS 实际上是利用处理器提供的 CMPXCHG 指令实现的,而处理器执行 CMPXCHG 指令是一个原子性操作。

volatile 能保证有序性吗?

在前面提到 volatile 关键字能禁止指令重排序,所以 volatile 能在一定程度上保证有序性。

volatile 关键字禁止指令重排序有两层意思:

举个简单的例子:

//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量
 
x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;         //语句4
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,也不会将语句 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。回到前面举的一个例子:

//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,那么就可能导致 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。

volatile 的原理和实现机制

观察加入 volatile 关键字和没有加入 volatile 关键字时所生成的汇编代码发现,加入 volatile 关键字时,会多出一个 lock 前缀指令。lock 前缀指令实际上相当于一个内存屏障(也成内存栅栏),内存屏障会提供 3 个功能:

使用 volatile 关键字的场景

synchronized 关键字是防止多个线程同时执行一段代码,那么就会很影响程序执行效率,而 volatile 关键字在某些情况下性能要优于 synchronized,但是要注意 volatile 关键字是无法替代 synchronized 关键字的,因为 volatile 关键字无法保证操作的原子性。通常来说,使用 volatile 必须具备以下 2 个条件:

实际上,这些条件表明,可以被写入 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。事实上,我的理解就是上面的 2 个条件需要保证操作是原子性操作,才能保证使用 volatile 关键字的程序在并发时能够正确执行。下面列举几个 Java 中使用 volatile 的几个场景:

volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
    doSomething();
}
 
public void setFlag() {
    flag = true;
}
volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();  
inited = true;    
 
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);
class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
   
    private Singleton() {
   
    }
   
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}
  • Java

    Java 是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言,是由 Sun Microsystems 公司于 1995 年 5 月推出的。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性。

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