volatile 关键字经常在并发编程中使用, 其特性是保证可见性以及有序性, 但是关于 volatile 的使用仍然要小心, 这需要明白 volatile 关键字的特性及实现的原理, 这也是本篇文章的主要内容.
一, Java 内存模型
想要理解 volatile 为什么能确保可见性, 就要先理解 Java 中的内存模型是什么样的.
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.
基于此种内存模型, 便产生了多线程编程中的数据 "脏读" 等问题.
举个简单的例子: 在 java 中, 执行下面这个语句:
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.
比如同时有 2 个线程执行这段代码, 假如初始时 i 的值为 10, 那么我们希望两个线程执行完之后 i 的值变为 12. 但是事实会是这样吗?
可能存在下面一种情况: 初始时, 两个线程分别读取 i 的值存入各自所在的工作内存当中, 然后线程 1 进行加 1 操作, 然后把 i 的最新值 11 写入到内存. 此时线程 2 的工作内存当中 i 的值还是 10, 进行加 1 操作之后, i 的值为 11, 然后线程 2 把 i 的值写入内存.
最终结果 i 的值是 11, 而不是 12. 这就是著名的缓存一致性问题. 通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量.
那么如何确保共享变量在多线程访问时能够正确输出结果呢?
在解决这个问题之前, 我们要先了解并发编程的三大概念: 原子性, 有序性, 可见性.
二, 原子性
1. 定义
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.
2. 实例
一个很经典的例子就是银行账户转账问题:
比如从账户 A 向账户 B 转 1000 元, 那么必然包括 2 个操作: 从账户 A 减去 1000 元, 往账户 B 加上 1000 元.
试想一下, 如果这 2 个操作不具备原子性, 会造成什么样的后果. 假如从账户 A 减去 1000 元之后, 操作突然中止. 这样就会导致账户 A 虽然减去了 1000 元, 但是账户 B 没有收到这个转过来的 1000 元.
所以这 2 个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题.
同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢?
举个最简单的例子, 大家想一下假如为一个 32 位的变量赋值过程不具备原子性的话, 会发生什么后果?
i = 9;
假若一个线程执行到这个语句时, 我暂且假设为一个 32 位的变量赋值包括两个过程: 为低 16 位赋值, 为高 16 位赋值.
那么就可能发生一种情况: 当将低 16 位数值写入之后, 突然被中断, 而此时又有一个线程去读取 i 的值, 那么读取到的就是错误的数据.
3.Java 中的原子性
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.
上面一句话虽然看起来简单, 但是理解起来并不是那么容易. 看下面一个例子 i:
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
咋一看, 可能会说上面的 4 个语句中的操作都是原子性操作. 其实只有语句 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 实际上包含 2 个操作, 它先要去读取 x 的值, 再将 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.
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.
三, 可见性
1. 定义
可见性是指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.
2. 实例
举个简单的例子, 看下面这段代码:
- // 线程 1 执行的代码
- int i = 0;
- i = 10;
- // 线程 2 执行的代码
- j = i;
由上面的分析可知, 当线程 1 执行 i =10 这句时, 会先把 i 的初始值加载到工作内存中, 然后赋值为 10, 那么在线程 1 的工作内存当中 i 的值变为 10 了, 却没有立即写入到主存当中.
此时线程 2 执行 j = i, 它会先去主存读取 i 的值并加载到线程 2 的工作内存当中, 注意此时内存当中 i 的值还是 0, 那么就会使得 j 的值为 0, 而不是 10.
这就是可见性问题, 线程 1 对变量 i 修改了之后, 线程 2 没有立即看到线程 1 修改的值.
3.Java 中的可见性
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.
四, 有序性
1. 定义
有序性: 即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行.
2. 实例
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.
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 Instruction 2 必须用到 Instruction 1 的结果, 那么处理器会保证 Instruction 1 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, 而此是线程 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.
从上面可以看出, 指令重排序不会影响单个线程的执行, 但是会影响到线程并发执行的正确性.
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.
3.Java 中的有序性
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):
1程序次序规则: 一个线程内, 按照代码顺序, 书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
2锁定规则: 一个 unLock 操作先行发生于后面对同一个锁额 lock 操作
3volatile 变量规则: 对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
4传递规则: 如果操作 A 先行发生于操作 B, 而操作 B 又先行发生于操作 C, 则可以得出操作 A 先行发生于操作 C
5线程启动规则: Thread 对象的 start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
6线程中断规则: 对线程 interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
7线程终结规则: 线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测, 我们可以通过 Thread.join()方法结束, Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
8对象终结规则: 一个对象的初始化完成先行发生于他的 finalize()方法的开始
这 8 条规则中, 前 4 条规则是比较重要的, 后 4 条规则都是显而易见的.
下面我们来解释一下前 4 条规则:
对于程序次序规则来说, 就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的. 注意, 虽然这条规则中提到 "书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作", 这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的, 但是虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序. 虽然进行重排序, 但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的, 它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序. 因此, 在单个线程中, 程序执行看起来是有序执行的, 这一点要注意理解. 事实上, 这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性, 但无法保证程序在多线程中执行的正确性.
第二条规则也比较容易理解, 也就是说无论在单线程中还是多线程中, 同一个锁如果处于被锁定的状态, 那么必须先对锁进行了释放操作, 后面才能继续进行 lock 操作.
第三条规则是一条比较重要的规则. 直观地解释就是, 如果一个线程先去写一个变量, 然后一个线程去进行读取, 那么写入操作肯定会先行发生于读操作.
第四条规则实际上就是体现 happens-before 原则具备传递性.
五, 深入理解 volatile 关键字
1.volatile 保证可见性
一旦一个共享变量 (类的成员变量, 类的静态成员变量) 被 volatile 修饰之后, 那么就具备了两层语义:
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.
2.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.
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.
解决方案: 可以通过 synchronized 或 lock, 进行加锁, 来保证操作的原子性. 也可以通过 AtomicInteger.
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.
3.volatile 保证有序性
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:
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
- 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.
六, volatile 的实现原理
1. 可见性
处理器为了提高处理速度, 不直接和内存进行通讯, 而是将系统内存的数据独到内部缓存后再进行操作, 但操作完后不知什么时候会写到内存.
如果对声明了 volatile 变量进行写操作时, JVM 会向处理器发送一条 Lock 前缀的指令, 将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存. 这一步确保了如果有其他线程对声明了 volatile 变量进行修改, 则立即更新主内存中数据.
** 但这时候其他处理器的缓存还是旧的, 所以在多处理器环境下, 为了保证各个处理器缓存一致, 每个处理会通过嗅探在总线上传播的数据来检查 自己的缓存是否过期, 当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改了, 就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态, 当处理器要对这个数据进行修改操作时, 会强制重新从系统内存把数据读到处理器缓存里.** 这一步确保了其他线程获得的声明了 volatile 变量都是从主内存中获取最新的.
2. 有序性
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.
七, volatile 的应用场景
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:
1)对变量的写操作不依赖于当前值
2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中
下面列举几个 Java 中使用 volatile 的几个场景.
1. 状态标记量
- volatile boolean flag = false;
- // 线程 1
- while(!flag){
- doSomething();
- }
- // 线程 2
- public void setFlag() {
- flag = true;
- }
根据状态标记, 终止线程.
2. 单例模式中的 double check
- 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;
- }
- }
为什么要使用 volatile 修饰 instance?
主要在于 instance = new Singleton()这句, 这并非是一个原子操作, 事实上在 JVM 中这句话大概做了下面 3 件事情:
给 instance 分配内
调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量
将 instance 对象指向分配的内存空间(执行完这步 instance 就为非 null 了).
但是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化. 也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的, 最终的执行顺序可能是 1-2-3 也可能是 1-3-2. 如果是后者, 则在 3 执行完毕, 2 未执行之前, 被线程二抢占了, 这时 instance 已经是非 null 了(但却没有初始化), 所以线程二会直接返回 instance, 然后使用, 然后顺理成章地报错.
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来源: http://www.jianshu.com/p/50d7c243063e