详解Java并发编程基础之volatile

目录

• 一、volatile的定义和实现原理
• 1、Java并发模型采用的方式
• 2、volatile的定义
• 3、volatile的底层实现原理
• 二、volatile的内存语义
• 1、volatile的特性
• 2、volatile写-读建立的happens-before关系
• 3、volatile的写/读内存语义
• 三、volatile内存语义的实现
• 1、volatile重排序规则
• 2、内存屏障　　
• 3、内存屏障示例
• 四、volatile与死循环问题
• 五、volatile对于复合操作非原子性问题

一、volatile的定义和实现原理

1、Java并发模型采用的方式

a）线程通信的机制主要有两种：共享内存和消息传递。

①共享内存：线程之间共享程序的公共状态，通过写-读共享内存中的公共状态来进行隐式通信；

②消息传递：线程之间没有公共状态，线程之间 必须通过发送消息来显式通信。

b）同步：用于控制不同线程之间操作发生相对顺序。在

共享内存模型中，同步是显式的进行的，需要显示的指定某个方法或者代码块在线程执行期间互斥进行。

消息传递模型中，由于消息的发送必定在消息的接受之前，所以同步是隐式的进行的。

c）Java并发采用的是共享内存模型，线程之间通信总是隐式的进行，而且这个通信是对程序员透明的。那么我们需要了解的是这个隐式通信的底层工作机制。

2、volatile的定义

Java编程语言中允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能够被准确和一致性的更新，线程应该确保通过排它锁单独获得这个变量。

3、volatile的底层实现原理

a）在编写多线程程序中，使用volatile修饰的共享变量在进行写操作的时候，编译器生成的汇编代码中会多出一条lock指令，这条lock指令的作用：

• ①将当前处理器缓存行中的数据写回到系统内存
• ②这个写回内存的操作会使得其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效

b）参考下面的这张图理解

二、volatile的内存语义

1、volatile的特性

a）首先我们来看对单个变量的读/写的实现（单个变量的情况可以看做是对同一个锁对这个变量的读/写进行了同步），看下面的例子

package cn.jvm.test;

public class TestVolatile1 {

    volatile long var1 = 0L;

    public void set(long l) {
        // TODO Auto-generated method stub
        var1 = l;
    }

    public void getAndIncrement() {
        // TODO Auto-generated method stub
        var1 ++; //注意++操作
    }

    public long get() {
        return var1;
    }
}

上面的set和get操作在语义上和使用synchronized修饰后一样，即下面的这种写法

package cn.jvm.test;

public class TestVolatile1 {

    volatile long var1 = 0L;

    public synchronized void set(long l) {
        // TODO Auto-generated method stub
        var1 = l;
    }

    public synchronized long get() {
        return var1;
    }
}

b）但是在上面的用例中，我们使用的var1++操作，整体上没有原子性，所以如果使用多线程方粉getAndIncrement方法的话，会导致读出的数据和主存中不一致的情况。

c）volatile变量的特性

①可见性：对一个volatile变量的读操作，总是能够看到对这个volatile变量最后的写入

②原子性：对任意单个volatile变量的读写具有原子性，但是对于volatile变量的复合型操作并不具备原子性

2、volatile写-读建立的happens-before关系

a）看下面的代码实例

package cn.jvm.test;

public class TestVolatile2 {

    int a = 0;
    volatile boolean flag = false;

    public void writer() {
        a = 1;
        flag = true;
    }

    public void reader() {
        if(flag) {
            int i =a;
            //...其他操作
        }
    }
}

b）在上面的程序中，假设线程A执行write方法，线程B执行reader方法，根据happens-before规则有下面的关系：

程序次序规则：①happens-before②； ③happens-before④

volatile规则：②happens-before③

传递性规则：①happens-before④

所以可以得到下面的这个状态图

3、volatile的写/读内存语义

a）下面是volatile的写/读内存语义

①当写一个volatile变量时候，JMM会将线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存中

②当读一个volatile变量的时候，JMM会将线程对应的本地内存置为无效，然后从主内存中读取共享变量

b）还是参照上面的程序示例，参考视图的模型来进行说明

①写内存语义的示意图：假设线程A执行writer方法，线程B执行reader方法，初始状况下线程A和B中的变量都是初始状态

②写内存语义的示意图：

三、volatile内存语义的实现

我们上面说到的基本上从宏观上而言都是说明了volatile保证内存可见性问题，volatile的另一个语义就是禁止指令重排序的优化。下面说一下volatile禁止指令重排序的实现细节

1、volatile重排序规则

①当第二个操作是volatile写的时候，不管第一个操作是什么，都不能进行指令重排序。这个规则确保volatile写之前的操作都不会被重排序到volatile写之后。也是为了保证volatile写对其他线程可见

②当第一个操作为volatile读的时候，不管第二个操作是什么，都不能进行重排序。确保volatile读之后的操作不会被重排序到volatile读之前

③当第一个操作是volatile写，第二个操作是volatile读的时候，不能进行重排序

如下所示，上面的是下表中的总结。

2、内存屏障　　

编译器在生成字节码的时候，会在指令序列中插入内存屏障来禁止对特定类型的处理器重排序。下面是集中策略，后面会说明这几种情况

①在每个volatile写操作之前插入StoreStore屏障

②在每个volatile写操作之后插入StoreLoad屏障

③在每个volatile读操作之后插入LoadLoad屏障

④在每个volatile读操作之后插入LoadStore屏障

3、内存屏障示例

a）volatile写插入内存屏障之后的指令序列图

b）volatile读插入内存屏障后的指令序列图

四、volatile与死循环问题

1、先看下面的示例代码，观察运行结果，当共享变量isRunning没有被声明为volatile的时候，main线程会在2秒之后将共享变量isRunning置为false并且输出修改信息，这样新建的线程应该结束运行，但是实际上并没有，控制台中会一直保持运行的状态，并且不会打印线程结束执行；如下所示

package cn.jvm.test;

class ThreadDemo extends Thread {
    private  boolean isRunning = true;
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始执行");
        while(isRunning) {

        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 结束执行");
    }
    public boolean isRunning() {
        return isRunning;
    }
    public void SetIsRunning(boolean isRunning) {
        this.isRunning = isRunning;
    }
}

public class TestVolatile4 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo td = new ThreadDemo();
        td.start();
        try {
            Thread.sleep(2000);
            td.SetIsRunning(false);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 线程将共享变量值修改为false");
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

2、分析出现上面结果的原因

在启动线程ThreadDemo之后，变量isRunning被存在公共堆栈以及线程的私有堆栈中，后//续中线程一直在私有堆栈中取出isRunning的值，虽然main线程执行SetIsRunning方法修改了isRunning的值，但是这个值并没有被Thread-//0线程所知，就像上面说的Thread-0取得值一直都是私有堆栈中的，所以不会知道isRunning被修改，也就不会退出循环

3、按照上面的原因分析一下执行的时候的工作内存和主内存的情况，按照下面的分析我们很容易得出结论

上面的问题就是因为工作内存（私有堆栈）和主内存（公共堆栈）中的值不同步。而按照我们上面说到的volatile使得单个变量保证线程可见性，就可以对程序修改保证共享变量在main线程中的修改对Thread-0线程可见（结合volatile的实现原理）

4、修改之后的结果

package cn.jvm.test;

class ThreadDemo extends Thread {
    private volatile boolean isRunning = true;
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始执行");
        while(isRunning) {

        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 结束执行");
    }
    public boolean isRunning() {
        return isRunning;
    }
    public void SetIsRunning(boolean isRunning) {
        this.isRunning = isRunning;
    }
}

public class TestVolatile4 {
    public static void main(String[] args) {
        ThreadDemo td = new ThreadDemo();
        td.start();
        try {
            Thread.sleep(2000);
            td.SetIsRunning(false);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 线程将共享变量值修改为false");
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

五、volatile对于复合操作非原子性问题

1、volatile能保证对单个变量在多线程之间的可见性问题，但是对于单个变量的复合操作不能保证原子性，如下代码示例，运行结果为

当然这个结果是随机的，但是不能保证运行结果是100000

在没有使用同步操作之前，虽然count变量是volatile的，但是由于count++操作是个复合操作

①从内存中取出count的值

②计算count的值

③将count的值写到内存中

这个复合操作由于volatile不能保证原子性，所以就会出现错误

package cn.jvm.test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class TestVolatile5 {
    volatile int count = 0;
    /*synchronized*/ void m(){
        for(int i = 0; i < 10000; i++){
            count++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        final TestVolatile5 t = new TestVolatile5();
        List<Thread> threads = new ArrayList<>();
        for(int i = 0; i < 10; i++){
            threads.add(new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    t.m();
                }
            }));
        }
        for(Thread thread : threads){
            thread.start();
        }
        for(Thread thread : threads){
            try {
                thread.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                // TODO Auto-generated catch block
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(t.count);
    }
}

2、下面按照JVM的内存工作来分析一下，即当前一个线程在计算count变量的时候，另一个线程已经修改了count变量的值，这样就必然会出现错误。所以对于这种复合操作就需要使用原子类或者使用synchronized来保证原子性（保证同步）

3、修改后的synchronized和使用原子类如下所示

package cn.jvm.test;

 import java.util.ArrayList;
 import java.util.List;

 public class TestVolatile5 {
     int count = 0;
     synchronized void m(){
         for(int i = 0; i < 10000; i++){
             count++;
         }
     }

     public static void main(String[] args) {
         final TestVolatile5 t = new TestVolatile5();
         List<Thread> threads = new ArrayList<>();
         for(int i = 0; i < 10; i++){
             threads.add(new Thread(new Runnable() {
                 @Override
                 public void run() {
                     t.m();
                 }
             }));
         }
         for(Thread thread : threads){
             thread.start();
         }
         for(Thread thread : threads){
             try {
                 thread.join();
             } catch (InterruptedException e) {
                 // TODO Auto-generated catch block
                 e.printStackTrace();
             }
         }
         System.out.println(t.count);
     }
 }

package cn.jvm.test;

 import java.util.ArrayList;
 import java.util.List;
 import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

 public class TestVolatile5 {
     AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
     void m(){
         for(int i = 0; i < 10000; i++){
             count.getAndIncrement();
         }
     }

     public static void main(String[] args) {
         final TestVolatile5 t = new TestVolatile5();
         List<Thread> threads = new ArrayList<>();
         for(int i = 0; i < 10; i++){
             threads.add(new Thread(new Runnable() {
                 @Override
                 public void run() {
                     t.m();
                 }
             }));
         }
         for(Thread thread : threads){
             thread.start();
         }
         for(Thread thread : threads){
             try {
                 thread.join();
             } catch (InterruptedException e) {
                 // TODO Auto-generated catch block
                 e.printStackTrace();
             }
         }
         System.out.println(t.count);
     }
 }

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