Java 高效并发之volatile关键字解析

摘录

1、

　　计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。

　　Java内存模型规定所有的变量（这里的变量指共享变量，存在线程间的访问竞争，包括实例字段、静态字段、构成数组的元素，但不包括局部变量与方法参数因为它们是线程私有的不会被共享）都是存在主存当中（类似于前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似于前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。

Java内存模型中的操作指令（8个，都是原子操作）：lock、unlock、read、load、use、assign、store、write

Java内存模型与硬件内存模型的类比关系如下：

              vs     

 

 

2、

要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性（缓存一致性问题）以及有序性（指令重排序问题）。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

• 原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。
• 可见性：当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。
• 有序性：即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

3、

Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。

Java提供了volatile关键字来保证可见性。另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

在Java里面，可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”，另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性，此外，Java内存模型具备一些先天的“有序性”，即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性，这个通常也称为 happens-before 原则。

4、

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰之后，那么就具备了两层语义：

1）保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值（包括修改和写入主存两个操作，使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存），这新值对其他线程来说是立即可见的（使其他线程的工作内存中该变量的值无效，从而重新从内存读取）。

2）禁止进行指令重排序。

即volatile保证可见性和一定程度的有序性，但不保证原子性。

不保证原子性的示例：

class Test extends Thread {
    static volatile int num = 0;

    public static void increament() {
        num++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        int loopCount = 10, increamentPerLoop = 1000;
        long timeStart = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < loopCount; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < increamentPerLoop; i++) {
                        increament();
                    }
                }
            }).start();
        }
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.printf("num:%d, time used:%dms\n", num, (System.currentTimeMillis() - timeStart));// num结果不是loopCount*increamentPerLoop，说明volatile没有确保原子性。其原因是虽然确保每次访问num得到的是最新的值，但num++不是原子操作，导致多线程并行时num的更新可能被覆盖
    }

}

 

volatile的原理和实现机制：

“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，加入volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令”

　　lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也成内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

　　1）它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；

　　2）它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；

　　3）如果是写操作，它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

 

总结：

原子性：synchronized

可见性：volatile、synchronized、final

有序性：volatile、synchronized

 

参考资料

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html

《深入理解Java虚拟机》