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Java并发编程之volatile关键字解析

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发表于 2017-5-2 19:18:57 | 显示全部楼层 |阅读模式

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。本文我们就从JVM内存模型开始,了解一下 volatile 的应用场景。

volatile关键字

JVM内存模型

在了解 volatile 之前,我们有必要对JVM的内存模型有一个基本的了解。Java的内存模型规定了所有的变量都存储在主内存中(即物理硬件的内存),每条线程还具有自己的工作内存(工作内存可能位于处理器的高速缓存之中),线程的工作内存中保存了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(读取,赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量)。不同的线程之间无法直接访问对方工作内存之间的变量,线程间变量值的传递需要通过主内存来完成。

p.s: 对于上面提到的副本拷贝,比如假设线程中访问一个10MB的对象,并不会把这10MB的内存复制一份拷贝出来,实际上这个对象的引用,对象中某个在线程访问到的字段是有可能存在拷贝的,但不会有虚拟机实现把整个对象拷贝一次。

在并发编程中,我们通常会遇到以下三个问题:原子性,可见性,有序性,下面我们我们来具体看一下这三个特性与 volatile 之间的联系:

有序性

public class Testcase{
 public static int number;
 public static boolean isinited;

 public static void main(String[] args){
 new Thread(
 () -> {
 while (!isinited) {
 Thread.yield();
 }
 System.out.println(number);
 }
 ).start();
 number = 20;
 isinited = true;
 }
}

对于上面的代码我们上面的本意是想输出 20 ,但是如果运行的话可以发现输出的值可能会是 0 。这是因为有时候为了提供程序的效率,JVM会做进行及时编译,也就是可能会对指令进行重排序,将 isInited = true; 放在 number = 20; 之前执行,在单线程下面这样做没有任何问题,但是在多线程下则会出现重排序问题。如果我们将 number 声名为 volatile 就可以很好的解决这个问题,这可以禁止JVM进行指令重排序,也就意味着 number = 20; 一定会在 isInited = true 前面执行。

可见性

比如对于变量 a ,当线程一要修改变量a的值,首先需要将a的值从主存复制过来,再将a的值加一,再将a的值复制回主存。在单线程下面,这样的操作没有任何的问题,但是在多线程下面,比如还有一个线程二,在线程一修改a的值的时候,也从主存将a的值复制过来进行加一,随后线程一和线程二先后将a的值复制回主存,但是主存中a的值最终将只会加一而不是加二。

使用 volatile 可以解决这个问题,它可以保证在线程一修改a的值之后立即将修改值同步到主存中,这样线程二拿到的a的值就是线程一已经修改过的a的值了。

原子性

原子性是指CPU在执行一条语句的时候,不会中途转去执行另外的语句。比如 i = 1 就是一个原子操作,但是 ++i 就不是一个原子操作了,因为它要求首先读取 i 的值,然后修改 i 的值,最后将值写入主存中。

但是 volatile 却不能保证程序的原子性,下面我们通过一个实例来验证一下:

public class TestCase{
 public volatile int v = 0;
 public static final int threadCount = 20;

 public void increase(){
 v++;
 }

 public static void main(String[] args){
 TestCase testCase = new TestCase();
 for (int i=0; i<threadCount; i++) {
 new Thread(
 () -> {
 for (int j=0; j<1000; j++) {
 testCase.increase();
 }
 }
 ).start();
 }

 while (Thread.activeCount() > 1) {
 Thread.yield();
 }
 System.out.println(testCase.v);
 }
}

输出结果:

上面我们的本意是想让输出 20000 ,但是运行程序后,结果可能会小于 20000 。因为 v++ 它本身并不是一个原子操作,它是分为多个步骤的,而且 volatile 本身也并不能保证原子性。

上面的程序使用 synchronzied 则可以很好的解决,只需要声明 public synchronized void increase() 就行了。

或者使用lock也行:

Lock lock = new ReentrantLock();

public void increase(){
 lock.lock();
 try {
 v++;
 } finally{
 lock.unlock();
 }
}

或者将 v 声明为 AtomicInteger v = new 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,自减,以及加法操作,减法操作进行了封装,保证这些操作是原子性操作。

volatile的应用场景

下面我们通过单例模式来看一下 volatile 的一个具体应用:

class Singleton{
 private volatile static Singleton instance;

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

 public static void main(String[] args){
 Singleton.getInstance();
 }
}

上面 instance 必须要用 volatile 修饰,因为 new Singleton 是分为三个步骤的:

  1. 给instance指向的对象分配内存,并设置初始值为null(根据JVM类加载机制的原理,对于静态变量这一步应该在 new Singleton 之前就已经完成了)。
  2. 执行构造函数真正初始化instance
  3. 将instance指向对象分配内存空间(分配内存空间之后instance就是非null了)

在我们的步骤2, 3之间的顺序是可以颠倒的,如果线程一在执行步骤3之后并没有执行步骤2,但是被线程二抢占了,线程二得到的 instance 是非null,但是instance却还没有初始化。而使用instance则可以保证程序的有序性。

References

深入理解Java虚拟机

Java并发编程实战

来自:http://www.ziwenxie.site/2017/04/24/java-multithread-volatile/




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