神刀安全网

Java多线程干货系列—(四)volatile关键字

今天介绍下volatile关键字,volatile这个关键字可能很多朋友都听说过,或许也都用过。在Java 5之前,它是一个备受争议的关键字,因为在程序中使用它往往会导致出人意料的结果。在Java 5之后,volatile关键字才得以重获生机。

正文

volatile关键字虽然从字面上理解起来比较简单,但是要用好不是一件容易的事情。由于volatile关键字是与Java的内存模型有关的。所以让我们先来了解下Java的内存模型。

Java内存模型

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。如下图:
Java多线程干货系列—(四)volatile关键字

看个例子:

public class VolatileExample extends Thread{
//设置类静态变量,各线程访问这同一共享变量
private static boolean flag = false;
//无限循环,等待flag变为true时才跳出循环
public void run() {
while (!flag){
};
System.out.println("停止了");
}

public static void main(String[] args) throws Exception {
new VolatileExample().start();
//sleep的目的是等待线程启动完毕,也就是说进入run的无限循环体了
Thread.sleep(100);
flag = 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)。
我执行后发现上面的程序一直在while循环,不会打印“停止了”这条信息,为什么呢?不是有设置flag=true吗?
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VolatileExample在运行的时候,会将flag变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。
那么当线程main更改了flag变量的值之后,但是还没来得及写入主存当中,线程main转去做其他事情了,那么线程VolatileExample由于不知道线程main对flag变量的更改,因此还会一直循环下去。

线程中的三个概念

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。

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,有些朋友可能会说上面的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。

不过这里有一点需要注意: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”(具体原理在下一节讲述)。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):

  • 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
  • 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
  • volatile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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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条原则摘自《深入理解Java虚拟机》。

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,我的理解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,因为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,同一个锁如果出于被锁定的状态,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,也是后文将要重点讲述的内容。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。

volatile语义

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:

  • 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。
  • 禁止进行指令重排序。

所以当把上面代码中变量flag改成下面这样:

private  static valotile boolean flag = false;

在执行的话,你就会发现打印了“停止了”信息,因为用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main进行修改时,会导致线程那么线程VolatileExample的工作内存中缓存变量flag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:由于线程那么线程VolatileExample的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效,所以线程那么线程VolatileExample再次读取变量flag的值时会去主存读取。

那么在线程main修改flag值时(当然这里包括2个操作,修改线程main工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线程VolatileExample的工作内存中缓存变量flag的缓存行无效,然后线程读取时,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VolatileExample读取到的就是最新的正确的值。

Java多线程干货系列—(四)volatile关键字

使用volatile关键字增加了实例变量在多个线程之间的可见性。但是volatile关键字最致命的缺点是不支持原子性。
下面将关键字synchronized和volatile进行一下比较:
1)关键字volatile是线程同步的轻量级实现,所以volatile性能肯定比synchronized要好,并且volatile只能修饰于变量,而synchronized可以修饰方法,以及代码块。随着JDK新版本的发布,synchronized关键字在执行效率上得到很大提升,在开发中使用synchronized关键字的比率还是比较大的。

2)多线程访问volatile不会发生阻塞,而synchronized会出现阻塞。

3)volatile能保证数据的可见性,但不能保证原子性;而synchronized可以保证原子性,也可以间接保证可见性,因为它将私有内存和公共内存中的数据做同步。

4)再次重申一下,关键字volatile解决的是变量在多个线程之间的可见性;而synchronized关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。

volatile非原子的特性

从上面知道volatile关键字保证了操作的可见性,但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗?
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,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。

解释到这里,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:

采用synchronized:

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);
}
}

采用Lock:

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);
}
}

采用AtomicInteger:

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

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变量访问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。

4.volatile的原理和实现机制

前面讲述了源于volatile关键字的一些使用,下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。

下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》:

“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:

  • 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;

  • 它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存;

  • 如果是写操作,它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

总结

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:

  • 对变量的写操作不依赖于当前值

  • 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

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。
设计模式中的单例模式中的双检查锁就使用到了volatile关键字,跳转地址如下:
设计模式干货系列:(四)单例模式【学习难度:★☆☆☆☆,使用频率:★★★★☆】

参考

该文为本人学习的笔记,方便以后自己跳槽前复习。参考网上各大帖子,取其精华整合自己的理解而成。还有,关注我个人主页的公众号,里面电子书资源有《Java多线程编程核心技术》以及《深入理解Java虚拟机》高清版,需要的小伙伴自己取。
《Java多线程编程核心技术》
《深入理解Java虚拟机》
Java的多线程机制系列:(四)不得不提的volatile及指令重排序(happen-before)
Java并发编程:volatile关键字解析

整理的思维导图

个人整理的volatile的思维导图,导出的图片无法查看备注的一些信息,所以需要源文件的童鞋可以关注我个人主页上的公众号,回复 volatile 即可获取源文件。
Java多线程干货系列—(四)volatile关键字

一直觉得自己写的不是技术,而是情怀,一篇篇文章是自己这一路走来的痕迹。靠专业技能的成功是最具可复制性的,希望我的这条路能让你少走弯路,希望我能帮你抹去知识的蒙尘,希望我能帮你理清知识的脉络,希望未来技术之巅上有你也有我。

博主弄了个java学习资源的公众号,学习资源超级多,视频,电子书,最新开发工具一个都不能少,已全部分享到百度云盘,求资源共享,打造一个学习方便,工作方便的java公众号,开源开源,有需求的可以关注~撒花
Java多线程干货系列—(四)volatile关键字

转载本站任何文章请注明:转载至神刀安全网,谢谢神刀安全网 » Java多线程干货系列—(四)volatile关键字

分享到:更多 ()

评论 抢沙发

  • 昵称 (必填)
  • 邮箱 (必填)
  • 网址