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    Java中Volatile關鍵字

     

     

    在前面講述了很多東西,其實都是為講述volatile關鍵字作鋪墊,那么接下來我們就進入主題。

     

    volatile關鍵字的兩層語義

     

    一旦一個共享變量(類的成員變量、類的靜態成員變量)被volatile修飾之后,那么就具備了兩層語義:

     

    1、保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性,即一個線程修改了某個變量的值,這新值對其他線程來說是立即可見的。

     

    2、禁止進行指令重排序。

     

    先看一段代碼,假如線程1先執行,線程2后執行:

     

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

     

    這段代碼是很典型的一段代碼,很多人在中斷線程時可能都會采用這種標記辦法。但是事實上,這段代碼會完全運行正確么?即一定會將線程中斷么?不一定,也許在大多數時候,這個代碼能夠把線程中斷,但是也有可能會導致無法中斷線程(雖然這個可能性很小,但是只要一旦發生這種情況就會造成死循環了)。

     

    下面解釋一下這段代碼為何有可能導致無法中斷線程。在前面已經解釋過,每個線程在運行過程中都有自己的工作內存,那么線程1在運行的時候,會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。

     

    那么當線程2更改了stop變量的值之后,但是還沒來得及寫入主存當中,線程2轉去做其他事情了,那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改,因此還會一直循環下去。

     

    但是用volatile修飾之后就變得不一樣了:

     

    第一:使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存;

     

    第二:使用volatile關鍵字的話,當線程2進行修改時,會導致線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效(反映到硬件層的話,就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效);

     

    第三:由于線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效,所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。

     

    那么在線程2修改stop值時(當然這里包括2個操作,修改線程2工作內存中的值,然后將修改后的值寫入內存),會使得線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效,然后線程1讀取時,發現自己的緩存行無效,它會等待緩存行對應的主存地址被更新之后,然后去對應的主存讀取最新的值。

     

    那么線程1讀取到的就是最新的正確的值。

     

     

    volatile保證原子性嗎?

     

    從上面知道volatile關鍵字保證了操作的可見性,但是volatile能保證對變量的操作是原子性嗎?

     

    下面看一個例子:

     

    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)  //保證前面的線程都執行完
                Thread.yield();
            System.out.println(test.inc);
        }
    }

     

    大家想一下這段程序的輸出結果是多少?也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致,都是一個小于10000的數字。

     

    可能有的朋友就會有疑問,不對啊,上面是對變量inc進行自增操作,由于volatile保證了可見性,那么在每個線程中對inc自增完之后,在其他線程中都能看到修改后的值啊,所以有10個線程分別進行了1000次操作,那么最終inc的值應該是1000*10=10000。

     

    這里面就有一個誤區了,volatile關鍵字能保證可見性沒有錯,但是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是最新的值,但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。

     

    在前面已經提到過,自增操作是不具備原子性的,它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行,就有可能導致下面這種情況出現:

     

    假如某個時刻變量inc的值為10,

     

    線程1對變量進行自增操作,線程1先讀取了變量inc的原始值,然后線程1被阻塞了;

     

    然后線程2對變量進行自增操作,線程2也去讀取變量inc的原始值,由于線程1只是對變量inc進行讀取操作,而沒有對變量進行修改操作,所以不會導致線程2的工作內存中緩存變量inc的緩存行無效,所以線程2會直接去主存讀取inc的值,發現inc的值時10,然后進行加1操作,并把11寫入工作內存,最后寫入主存。

     

    然后線程1接著進行加1操作,由于已經讀取了inc的值,注意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然為10,所以線程1對inc進行加1操作后inc的值為11,然后將11寫入工作內存,最后寫入主存。

     

    那么兩個線程分別進行了一次自增操作后,inc只增加了1。

     

    解釋到這里,可能有朋友會有疑問,不對啊,前面不是保證一個變量在修改volatile變量時,會讓緩存行無效嗎?然后其他線程去讀就會讀到新的值,對,這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變量規則,但是要注意,線程1對變量進行讀取操作之后,被阻塞了的話,并沒有對inc值進行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內存中讀取的,但是線程1沒有進行修改,所以線程2根本就不會看到修改的值。

     

    根源就在這里,自增操作不是原子性操作,而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。

     

    把上面的代碼改成以下任何一種都可以達到效果:

     

    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)  //保證前面的線程都執行完
                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)  //保證前面的線程都執行完
                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)  //保證前面的線程都執行完
                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類,即對基本數據類型的 自增(加1操作),自減(減1操作)、以及加法操作(加一個數),減法操作(減一個數)進行了封裝,保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現原子性操作的(Compare And Swap),CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現的,而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操作。

     

     

    volatile能保證有序性嗎?

     

    在前面提到volatile關鍵字能禁止指令重排序,所以volatile能在一定程度上保證有序性。

     

    volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思:

     

    1、當程序執行到volatile變量的讀操作或者寫操作時,在其前面的操作的更改肯定全部已經進行,且結果已經對后面的操作可見;在其后面的操作肯定還沒有進行;

     

    2、在進行指令優化時,不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執行,也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執行。

     

    可能上面說的比較繞,舉個簡單的例子:

     

    //x、y為非volatile變量
    //flag為volatile變量
    x = 2;        //語句1
    y = 0;        //語句2
    flag = true;  //語句3
    x = 4;         //語句4
    y = -1;       //語句5

     

    由于flag變量為volatile變量,那么在進行指令重排序的過程的時候,不會將語句3放到語句1、語句2前面,也不會講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。

     

    并且volatile關鍵字能保證,執行到語句3時,語句1和語句2必定是執行完畢了的,且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。

     

    那么我們回到前面舉的一個例子:

     

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

     

    前面舉這個例子的時候,提到有可能語句2會在語句1之前執行,那么久可能導致context還沒被初始化,而線程2中就使用未初始化的context去進行操作,導致程序出錯。

     

    這里如果用volatile關鍵字對inited變量進行修飾,就不會出現這種問題了,因為當執行到語句2時,必定能保證context已經初始化完畢。

     

     

    volatile的原理和實現機制

     

    前面講述了源于volatile關鍵字的一些使用,下面我們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。

     

    下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機》:

     

    “觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的匯編代碼發現,加入volatile關鍵字時,會多出一個lock前綴指令”

     

    lock前綴指令實際上相當于一個內存屏障(也成內存柵欄),內存屏障會提供3個功能:

     

    1、它確保指令重排序時不會把其后面的指令排到內存屏障之前的位置,也不會把前面的指令排到內存屏障的后面;即在執行到內存屏障這句指令時,在它前面的操作已經全部完成;

     

    2、它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存;

     

    3、如果是寫操作,它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。

     

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