Java并发—— 关键字volatile

关键字volatile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制,当一个变量定义为volatile,它具有内存可见性以及禁止指令重排序两大特性,为了更好地了解volatile关键字,我们可以先看Java内存模型

Java内存模型

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中,每条线程拥有自己的工作内存,工作内存中保存了被该线程使用到的变量的主内存副本 拷贝 ,线程对变量的所有操作(读写)都必须在工作内存中进行, 不同的线程之间无法直接访问对方工作内存的变量 。线程、主内存、工作内存关系:

Java并发—— 关键字volatile

以经典的i++为例,线程A从主内存获取变量i值放入到工作内存的变量副本,然后在工作内存中将i+1,最后将新值同步到主内存中。从中我们可以看出简单的i++,分了3个步骤,可以明显发现在线程A从主内存获取i值步骤后,可能有其他线程同步主内存中变量i的值,当线程A想要将i+1结果同步到主内存时就会出现不正确的结果,这是典型的线程不安全

volatile特性

  • 可见性
  • 当一个线程修改了共享变量,其他线程能够立即得知这个修改。Java内存模型通过在变量修改后将新值同步回主内存,volatile变量能保证新值能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新(synchronizedfinal两个关键字也具备)。还是拿i++为例,volatile修饰的i可以确保,从主存中所获取的变量i一定是最新的。

  • 有序性
  • 禁止指令重排序,程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

    在执行程序时为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排序。

    ①. 编译器重排序 :编译器在不改变单线程程序语义的前提下,可以重新安排语句的执行顺序

    ②. 处理器重排序 :如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序

    java源代码到最终实际执行的指令序列,会分别经历下面三种重排序:

    Java并发—— 关键字volatile

    1属于编译器重排序,2和3属于处理器重排序。

    volatile使用场景

    在某些特定场景中,volatile相当于一个轻量级的sychronize,因为不会引起线程的上下文切换,但是使用volatile必须满足两个条件: ①.运算结果并不依赖变量的当前值,或者能够确保只有单一的线程修改变量的值

    ②.变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束

    两个使用场景:

  • 状态标记
  • 使用volatile变量来控制并发,当shutdown()方法被调用时,能保证所有线程中执行的doWork()方法都立即停下来

    public class VolatileTest {
        private volatile boolean shutdownRequested;
    public void shutdown() {
           shutdownRequested = true;
       }
    
       public void doWork(){
           while (!shutdownRequested) {
            // 业务逻辑
          }    
      }
    }

  • DCL(双检测)
  • 单例模式的一种实现方式

    public class Singleton {
    
        private volatile static Singleton singleton;
    
        public static Singleton getInstance() {
            if(singleton == null){
                synchronized (Singleton.class){
                    if(singleton == null){
                        singleton = new Singleton();
                    }
                }
            }
            return singleton;
        }
    }

    volatile实现

    从硬件架构上来讲,处理器使用写缓冲区来临时保存向内存写入的数据,可以减少对内存总线的占用。虽然写缓冲区有这么多好处,但 此操作仅对它所在的处理器可见 ,这个特性会对内存操作的执行顺序产生重要的影响,由于操作缓冲区是异步操作所以在外面看来,先写后读,还是先读后写,没有严格的固定顺序。

    volatile修饰的变量相对于普通变量会多出一个lock前缀指令,这个操作相当于一个 内存屏障 (只有一个CPU访问内存时,不需要内存屏障;但如果有两个或更多CPU访问同一块内存,且其中有一个在观测另一个,就需要内存屏障来保证一致性)。

    是否能重排序 第二个操作
    第一个操作 普通读 普通写 volatile读 volatile写
    普通读 LoadStore
    普通写 StoreStore
    volatile读 LoadLoad LoadStore LoadLoad LoadStore
    volatile写 StoreLoad StoreStore

    空白的单元格代表在不违反Java的基本语义下的重排是允许的。

    StoreStore屏障:保证在volatile写之前,其前面的所有普通写操作都已经刷新到主内存

    StoreLoad屏障:避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序

    LoadLoad屏障:禁止处理器吧上面的volatile读与下面的普通读中排序

    LoadStore屏障:禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序

    示例:

    public class VolatileTest {
        int a = 0;
        volatile int var1 = 1;
        volatile int var2 = 2;
    void readAndWrite() {
        int i = var1;   //volatile读
        int j = var2;   //volatile读
        a = i + i;      //普通读
        var1 = i + 1;   //volatile写
        var2 = j * 2;   //volatile写
    }

    }

    大致过程:

    Java并发—— 关键字volatile

    原文 

    https://juejin.im/post/5b39862ef265da59b37e899e

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