浅析Volatile关键字
浅析Volatile关键字
在java中线程并发中,线程之间通信方式分为两种:共享内存和消息传递。共享内存指的是多个线程之间共享内存的属性状态;消息传递指的是线程之间发送信息来通信。在介绍volatile,我们先了解一下共享内存一些基本概念。
JMM
Java内存模型(简称JMM)控制线程通信,可以分为主内存和本地内存,每个线程拥有一个本地内存。
如图,一般主存只有一个,根据线程数不同,本地内存(又称工作内存)数目也不同,本地内存是抽象出来的概念,实际上不存在。
线程之间通过内存来同步状态可以分为以下几个步骤:
1、 线程1从主存获取变量x=1,假设此时其他线程x都为1
2、 线程1将本地内存中x值修改为2
3、 线程1将本地内存中x值放回主存
4、 其他线程同步主存数据
以上,就是理想状态线程之间通过主存通信状态,保证了内存的可见性。
指令重排序
java程序在运行时,并不会严格按照程序代码编写的顺序执行代码,会对其进行重排序。例如以下例子:
在程序执行代码的时候,步骤1和步骤2可能被重排序,导致2可能在1之前先执行,但是重排序的前提是在单线程情况下不会改变运行结果,因此1和2可以重排序,但是3引用了1和2中的变量,因此3不会被重排序到1或者2之前。在单线程情况下,重排序不会影响,但在多线程中会导致结果不可预见,可以使用其他方法来保证有序性。
原子性操作
前面提到了可见性,有序性和原子性是在并发编程中最常遇见的三个概念。原子性指不可分割的操作。举例说明,在32为JVM中长度小于32为的数据读写都是原子性操作,但是64位数据结构的读写不是原子性操作。例子如下:
1、 线程1和2中有共同变量x,为Long型
2、 线程1将x改为LONG_MAX/2
3、线程1在修改本地内存中的值到主存时,先将Long的前32保存到主存中,此时主存中的x值为LONG_MAX/2的前32为加上LONG_MAX后32为,我们设为z
4、线程2读取主存中的x值并更新
5、线程1同步后32位数据到主存中,之后线程3也同步主存数据
最后可以看到,由于64为数据读写不是原子性的,单只线程2获取的数据为错误数据,如果,线程1同步主存的操作为原子性,那么就不会出现以上情况。
Volatile关键字
Volatile能够保证程序的原子性,例如将Long或者Double设置为volatile可以避免由于非原子性读写造成的数据不同步。但是,类似于x = x+1;这种类型的复合操作,volatile依旧服务保证原子性。
1、 volatile关键字x,线程1将x修改为LONG_MAX/2,主存为z
2、此时,由于x是volatile,因此线程要从主存读取这个值的时候,并不会主动到主存中获取,而是等到其他线程通知他再去获取。因此,线程1将完整的x值写到主存中。
3、之后,通知其他线程去获取x的值,以实现数值同步,保证原子性
由于volatile的值会及时将值刷新到主存中,volatile也保证了可见性。
那么volatile是否能保证有序性?个人见解是能在一定程度上保证数据的可见性,但是没有了解到有资料明确说明volatile保证了原子性。
volatile实际上设置了内存屏障,由于内存屏障的存在,保证了多线程下不会由于重排序导致数据不一致的问题。
是否重排序 |
第二个操作 |
||
第一个操作 |
普通读写 |
Volatile读 |
Volatile写 |
普通读写 |
|
|
No |
Volatile读 |
No |
No |
No |
Volatile写 |
|
No |
No |
可知volatile写之前的操作不会被重排序到之后;volatile读之后的操作不会被重排序到之前;第一个操作是volatile写,第二个操作是volatile读不会重排序。
JMM采取的内存屏障策略为:
1、 在volatile写前面插入StoreStore屏障
2、 在volatile写后面插入StoreLoad屏障
3、 在volatile读后面插入LoadLoad屏障
4、 在volatile读后面插入LoadStore屏障
StoreStore屏障保证volatile写之前的普通写刷新到主存当中,避免与前面普通写重排序;
StoreLoad屏障保证volatile写不会和之后的volatile读写重排序;
LoadLoad屏障禁止volatile读不会与下面的普通读重排序;
LoadStore屏障禁止volatile读不会与下面的普通写重排序。
具体可见p1,p2
P1
P2
一个例子
如下例子,线程1执行writer方法,线程2执行reader方法,由于JVM会进行重排序,因此可能的执行顺序为:
1、线程1执行步骤2,此时a的值还是0
2、线程2执行步骤3,因为重排序不会在引起单线程结果改变,因此不会先执行4
3、线程2执行步骤4,i的值为0
4、线程1执行步骤1
Int a = 0 Boolean flag =false public void writer(){ a = 1; //1 flag = true; //2 } public void reader(){ if(flag){ //3 int i = a; //4 } }
可见,由于重排序导致结果改变,修改代码如下:
Int a = 0 volatile boolean flag =false public void writer(){ a = 1; //1 flag = true; //2 } public void reader(){ if(flag){ //3 int i = a; //4 } }
执行步骤如下:
1、 线程1执行1,因为volatile变量flag前面插入StoreStore屏障,不会重排序
2、 线程1执行2;
3、 线程2执行3;
4、 线程2执行4,i为2;
结果符合预期。