Java并发编程之三:volatile关键字解析

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Java并发编程之三:volatile关键字解析

volatile之一--volatile不能保证原子性

Synchronized之一:基本使用

 基础:

java内存模型JMM

指令重排、内存屏障概念解析

 volatile这个关键字可能很多朋友都听说过,或许也都用过。在Java 5之前,它是一个备受争议的关键字,因为在程序中使用它往往会导致出人意料的结果。在Java 5之后,volatile关键字才得以重获生机。

  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。由于volatile关键字是与Java的内存模型有关的,因此在讲述volatile关键之前,我们先来了解一下与内存模型相关的概念和知识,然后分析了volatile关键字的实现原理,最后给出了几个使用volatile关键字的场景。

  以下是本文的目录大纲:

  一.内存模型的相关概念

  二.并发编程中的三个概念

  三.Java内存模型

  四..深入剖析volatile关键字

  五.使用volatile关键字的场景

一.Java内存模型的相关概念

  Java内存模型见《java内存模型JMM》,这里再重复以示例方式回顾一下 缓存不一致问题:由于cpu和主内存的速率不一致,增加了多层缓存,而引入的缓存不一致问题。

为了解决缓存不一致性问题,通常来说有以下2种解决方法:

  1)通过在总线加LOCK#锁的方式

  2)通过缓存一致性协议,如MESI

这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

二.并发编程中的三个概念

  同样在《java内存模型JMM》有详细说明。

  在并发编程中,我们通常会遇到以下三个问题:原子性问题,可见性问题,有序性问题。我们先看具体看一下这三个概念:

1.原子性

  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。

2.可见性

  可见性:可见性是指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。

举个简单的例子,看下面这段代码:

//线程1执行的代码
int i = 0;
i = 10;
 
//线程2执行的代码
j = i;

假若执行线程1的是CPU1,执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知,当线程1执行 i =10这句时,会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中,然后赋值为10,那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了,却没有立即写入到主存当中。

此时线程2执行 j = i,它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中,注意此时内存当中i的值还是0,那么就会使得j的值为0,而不是10.

这就是可见性问题,线程1对变量i修改了之后,线程2没有立即看到线程1修改的值。

3.有序性

  有序性:即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子,看下面这段代码:

int i = 0;              
boolean flag = false;
i = 1;                //语句1  
flag = true;          //语句2

上面代码定义了一个int型变量,定义了一个boolean类型变量,然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看,语句1是在语句2前面的,那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?不一定,为什么呢?这里可能会发生指令重排序(Instruction Reorder)。

下面解释一下什么是指令重排序(见《指令重排、内存屏障概念解析》),一般来说,处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。

也就是说,要想并发程序正确地执行,必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证,就有可能会导致程序运行不正确。

三.Java内存模型

 Java内存模型见《java内存模型JMM

  那么Java语言 本身对原子性、可见性以及有序性提供了哪些保证呢?

1.原子性

  在Java中,对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作,即这些操作是不可被中断的,要么执行,要么不执行。

  上面一句话虽然看起来简单,但是理解起来并不是那么容易。看下面一个例子i:

  请分析以下哪些操作是原子性操作:

x = 10;         //语句1
y = x;         //语句2
x++;           //语句3
x = x + 1;     //语句4

  咋一看,有些朋友可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。其实只有语句1是原子性操作,其他三个语句都不是原子性操作。

  语句1是直接将数值10赋值给x,也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。

  语句2实际上包含2个操作,它先要去读取x的值,再将x的值写入工作内存,虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作,但是合起来就不是原子性操作了。

  同样的,x++和 x = x+1包括3个操作:读取x的值,进行加1操作,写入新的值。

   所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。

  也就是说,只有简单的读取、赋值(而且必须是将数字赋值给某个变量,变量之间的相互赋值不是原子操作)才是原子操作。

  不过这里有一点需要注意:在32位平台下,对64位数据的读取和赋值是需要通过两个操作来完成的,不能保证其原子性。但是好像在最新的JDK中,JVM已经保证对64位数据的读取和赋值也是原子性操作了。

  从上面可以看出,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。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块,那么自然就不存在原子性问题了,从而保证了原子性。

2.可见性

2.1、volatile关键字来保证可见性

  对于可见性,Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。而普通的共享变量不能保证可见性,因为普通共享变量被修改之后,什么时候被写入主存是不确定的,当其他线程去读取时,此时内存中可能还是原来的旧值,因此无法保证可见性。

 

(1)首先看一下上面的图,有工作线程A、工作线程B;假如之前工作线程A、B都是用过这个共享变量i,工作内存中都有变量副本 i = 0
(2)这个时候工作线程A要执行 i++ 操作,按照volatile关键字的特性,每次使用之前必须从主内存重新读取,所以工作线程A重新从主内存读取(执行read、load指令)得到 i = 0没有变化
(3)然后执行use指令将 i = 0 传递给工作线程,执行 i++ 操作,得到 i = 1
(4)然后执行assign指令,将 i = 1的结果赋值给工作线程,按照volatile的特性;一旦共享变量的值被修改了,需要立即强制刷新回主内存。所以在执行assign赋值更新后的之后,立马执行store、write指令将最新的值传递到主内存,并且赋值给主内存的变量。
(5)此时工作线程B需要用到共享变量 i 了,即使工作内存里面有副本,但是每次还是会重新从主内存中重新读取最新的值,这个时候读取到 i = 1了

上面就是我知道的,volatile在java内存模型层次是怎么保证可见性的。之前我们了解过MESI一致性怎么实现可见性了,由于java内存模型建立在CPU多级缓存模型之上,所以java内存模型底层也是通过MESI一致性的协议去达到可见性的目的,java内存模型会去适配不同操作系统对MESI一致性协议的不同实现方式。

2.2、另外,通过synchronized、Lock和final都能保证可见性,即同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码,同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store、write操作)”这条规则获得的,而final关键字的可见性是指被final修饰的字段在构造器中一旦初始化完成,并且构造器没有把“this”的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事情,其他线程有可能通过这个引用访问到“初始化了一半”的对象),那在其他线程中就能看见final字段的值。如代码清单12-7所示,变量i与j都具备可见性,它们无须同步就能被其他线程正确访问。

清单12-7

public static final int i;
public final int j;
static{
i=0//do something
}{//也可以选择在构造函数中初始化
j=0//do something
}

3.有序性

  在Java内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。

  在Java里面,可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”(具体原理在下一节讲述)。另外也可以通过synchronized和Lock来保证有序性,很显然,volatile关键字本身就包含了禁止指令重排序的语义,而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对其进行lock操作”这条规则获得的,这条规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入

  另外,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。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来,那么它们就不能保证它们的有序性,虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

四.深入剖析volatile关键字

  在前面讲述了很多东西,其实都是为讲述volatile关键字作铺垫,那么接下来我们就进入主题。

1.volatile关键字的两层语义

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:

  • 第一是保证此变量对所有线程的可见性:这里的可见性是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的。而普通变量不能做到这一点,普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。

    由于volatile变量只能保证可见性,在不符合以下两条规则的运算场景中,我们仍然要通过加锁来保证原子性。

      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

  • 使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化,普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获得正确的结果,而不能保证变量的赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。

 

volatile修饰的变量,怎么让每都让它从主存读取最新数据的?
修改了之后立刻刷新会主内存这个是怎么实现的?还有volatile我看了一些资料说是通过禁止重排序来实现有序性的,那到底是通过什么来禁止重排序的?其实这个就涉及到一个内存屏障的概念了,其实volatile的可见性和有序性都是通过内存屏障来实现的。
包括你上面说的读取数据的时候强制读取主内存数据,修改数据之后强制刷新到主内存,都是有相对应的内存屏障指令对应的。还有为了实现有序性而禁止volatile前后相关的指令进行重排序,在JVM乃至操作系统都是有相应的内存屏障指令的。见《指令重排、内存屏障概念解析

A、volatile是如何通过内存屏障来保证可见性?

volatile修饰的变量,在每个读操作(load操作)之前都加上Load屏障,强制从主内存读取最新的数据。每次在assign赋值后面,加上Store屏障,强制将数据刷新到主内存。

例如:以volatile int = 0;线程A、B进行i++的操作来画图给你讲解一下:

 如上图所示:
(1)线程A读取i的值遇到Load屏障,需要强制从主存读取得到i = 0; 然后传递给工作线程执行++操作
(2)cpu执行i++操作得到i = 1,执行assign指令进行赋值;然后遇到Store屏障,需要强制刷新回主内存,此时得到主内存i = 1
(3)然后线程B执行读取i遇到Load屏障,强制从主内存读取,得到最新的值i = 1,然后传给工作线程执行++操作,得到i = 2,同样在赋值后遇到Store屏障立即将数据刷新回主内存

即:volatile读取前加的Load屏障、赋值后加的Store屏障。说白了就是通过一个屏障让volatile的变量每次读都读主存,每次修改后立即刷到主存里面

B、volatile是如何通过内存屏障来保证有序性?

这个volatile写的时候前面加StoreStore屏障、写的后面加StoreLoad屏障来禁止重排序。

C、volatile保证了可见性、有序性,为啥不能保证原子性?

反例:volatile变量对所有线程是立即可见的,对volatile变量所有的写操作都能立即反映到其他线程中。换句话说,volatile变量在各个线程中是一致的,所以基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的。这句话的论据虽然没有错误,volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性问题的,但是由于java里面的运算操作符并非原子操作,这导致volatile变量的运算在并发下一样不安全。看下面的示例:

public class VolatileTest {
public static volatile int race = 0;
public static void increase() {
    race++;
}
private static final int THREADS_COUNT = 10;
public static void main(String[] args) {
   for(int i=0;i<THREADS_COUNT;i++) {
       threads[i] = new Thread(new Runnable() {
             public void run() {
                 for(int i = 0; i < 1000; i++) {
                      increase();
                 }
             }
       });
       threads[i].start();
   }
   while(Thread.activeCount() >1) {
        Thread.yield();
   }
   System.out.println(race);
}
}

大家想一下这段程序的输出结果是多少?也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致,都是一个小于10000的数字。

可能有的朋友就会有疑问,不对啊,上面是对变量inc进行自增操作,由于volatile保证了可见性,那么在每个线程中对inc自增完之后,在其他线程中都能看到修改后的值啊,所以有10个线程分别进行了1000次操作,那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

这里面就有一个误区了,volatile关键字能保证可见性没有错,但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值,但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

在前面已经提到过,自增操作是不具备原子性的,它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行,就有可能导致下面这种情况出现:

假如某个时刻变量inc的值为10,线程1对变量进行自增操作,线程1先读取了变量inc的原始值,然后线程1被阻塞了;然后线程2对变量进行自增操作,线程2也去读取变量inc的原始值,由于线程1只是对变量inc进行读取操作,而没有对变量进行修改操作,所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效,所以线程2会直接去主存读取inc的值,发现inc的值时10,然后进行加1操作,并把11写入工作内存,最后写入主存。

然后线程1接着进行加1操作,由于已经读取了inc的值,注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10,所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11,然后将11写入工作内存,最后写入主存。那么两个线程分别进行了一次自增操作后,inc只增加了1。

解释到这里,可能有朋友会有疑问,不对啊,前面不是保证一个变量在修改volatile变量时,会让缓存行无效吗?然后其他线程去读就会读到新的值,对,这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则,但是要注意,线程1对变量进行读取操作之后,被阻塞了的话,并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的,但是线程1没有进行修改,所以线程2根本就不会看到修改的值。

  根源就在这里,自增操作不是原子性操作,而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。问题就出现在自增运算“race++”之中,我们用Javap反编译这段代码后会得到代码清单,发现只有一行代码的increase()方法在Class文件中是由4条字节码指令构成的(return指令不是由race++产生的,这条指令可以不计算),从字节码层面上很容易就分析出并发失败的原因了:当getstatic指令把race的值取到操作栈顶时,volatile关键字保证了race的值在此时是正确的,但是在执行iconst_1、 iadd这些指令的时候,其他线程可能已经把race的值加大了,而在操作栈顶的值就变成了过期的数据,所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中。下面是VolatileTest的字节码:

public static void increase();
Code:
Stack=2,Locals=0,Args_size=0
0:getstatic#13;//Field race:I
3:iconst_1
4:iadd
5:putstatic#13;//Field race:I
8:return
LineNumberTable:
line 14:0
line 15:8

客观地说,在此使用字节码来分析并发问题,仍然是不严谨的,因为即使编译出来只有一条字节码指令,也并不意味执行这条指令就是一个原子操作。 一条字节码指令在解释执行时,解释器将要运行许多行代码才能实现它的语义,如果是编译执行,一条字节码指令也可能转化成若干条本地机器码指令,此处使用-XX:+PrintAssembly参数输出反汇编来分析会更加严谨一些,但考虑到读者阅读的方便,并且字节码已经能说明问题,所以此处使用字节码来分析。

可以通过如下几种方式实现操作的原子性:落到底层实际还是需要进行加锁的,需要保证任意时刻只能有一个线程能执行成功。

采用synchronized:

public class Test {
    public  int inc = 0;
    
    public synchronized void increase() {
        inc++;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

 

采用Lock:

public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

采用AtomicInteger:

public class Test {
    public  AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
     
    public  void increase() {
        inc.getAndIncrement();
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        final Test test = new Test();
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(){
                public void run() {
                    for(int j=0;j<1000;j++)
                        test.increase();
                };
            }.start();
        }
        
        while(Thread.activeCount()>1)  //保证前面的线程都执行完
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

 

  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(加1操作),自减(减1操作)、以及加法操作(加一个数),减法操作(减一个数)进行了封装,保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的(Compare And Swap),CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的,而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

 

由于volatile变量只能保证可见性,如果符合以下两条规则才能保证原子性:

  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。

如果在不符合以下两条规则的运算场景中,我们仍然要通过加锁(使用synchronized或java.util.concurrent中的原子类)来保证原子性。

而在像如下的代码所示的场景就很适合使用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:

volatile boolean shutdownRequested;

    public void shutdown() {
        shutdownRequested = true;
    }

    public void doWork() {
        while (!shutdownRequested) {
        //do stuff
        }
    }

二、禁止重排序

 volatile能保证有序性吗?

  在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序,所以volatile能在一定程度上保证有序性。

  volatile关键字禁止指令重排序有两层意思:

  1)当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时,在其前面的操作的更改肯定全部已经进行,且结果已经对后面的操作可见;在其后面的操作肯定还没有进行;

  2)在进行指令优化时,不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行,也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

 可能上面说的比较绕,举个简单的例子:

//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量
 
x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;         //语句4
y = -1;       //语句5

   由于flag变量为volatile变量,那么在进行指令重排序的过程的时候,不会将语句3放到语句1、语句2前面,也不会将语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。

  并且volatile关键字能保证,执行到语句3时,语句1和语句2必定是执行完毕了的,且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。

  那么我们回到前面举的一个例子:

//线程1:
context = loadContext();   //语句1
inited = true;             //语句2
 
//线程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

   前面举这个例子的时候,提到有可能语句2会在语句1之前执行,那么久可能导致context还没被初始化,而线程2中就使用未初始化的context去进行操作,导致程序出错。

  这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰,就不会出现这种问题了,因为当执行到语句2时,必定能保证context已经初始化完毕。


使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化。普通的变量仅仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。 因为在一个线程的方法执行过程中无法感知到这点,这也就是Java内存模型中描述的所谓的“线程内表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-SerialSemantics)。
上面的描述仍然不太容易理解,我们还是继续通过一个例子来看看为何指令重排序会干扰程序的并发执行,演示程序如代码如下所示:

    Map configOptions;
    char[]configText;
    //此变量必须定义为volatile
    volatile boolean initialized=false;
    //假设以下代码在线程A中执行
    //模拟读取配置信息,当读取完成后将initialized设置为true以通知其他线程配置可用
    configOptions=new HashMap();
    configText=readConfigFile(fileName);
    processConfigOptions(configText,configOptions);
    initialized=true;

    //假设以下代码在线程B中执行
    //等待initialized为true,代表线程A已经把配置信息初始化完成
    while(!initialized){
        sleep();
    }
    //使用线程A中初始化好的配置信息
    doSomethingWithConfig();

以上是一段伪代码,其中描述的场景十分常见,只是我们在处理配置文件时一般不会出现并发而已。 如果定义initialized变量时没有使用volatile修饰,就可能会由于指令重排序的优化,导致位于线程A中最后一句的代码“initialized=true”被提前执行(这里虽然使用Java作为伪代码,但所指的重排序优化是机器级的优化操作,提前执行是指这句话对应的汇编代码被提前执行),这样在线程B中使用配置信息的代码就可能出现错误,而volatile关键字则可以避免此类情况的发生。
指令重排序是并发编程中最容易让开发人员产生疑惑的地方,除了上面伪代码的例子之外,再举一个可以实际操作运行的例子来分析volatile关键字是如何禁止指令重排序优化的。下面代码是一段标准的DCL单例代码,可以观察加入volatile和未加入volatile关键字时所生成汇编代码的差别。

public 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();
    }
}

编译后,这段代码对instance变量赋值部分如下所示:

0x01a3de0f:mov$0x3375cdb0,%esi;……beb0cd75 33
                                                        ;{oop('Singleton')}
0x01a3de14:mov%eax,0x150(%esi);……89865001 0000
0x01a3de1a:shr$0x9,%esi                  ;……c1ee09
0x01a3de1d:movb$0x0,0x1104800(%esi);……c6860048 100100
0x01a3de24:lock addl$0x0,(%esp)           ;……f0830424 00
                                                                      ;*putstatic instance
                                                                      ;-
Singleton:getInstance@24

通过对比发现,关键变化在于有volatile修饰的变量,赋值后(前面mov%eax,0x150(%esi)这句便是赋值操作)多执行了一个“lock addl $0x0,(%esp)”操作,这个操作相当于一个内存屏障(Memory Barrier或Memory Fence,指重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置),只有一个CPU访问内存时,并不需要内存屏障;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了。 这句指令中的“addl $0x0,(%esp)”(把ESP寄存器的值加0)显然是一个空操作(采用这个空操作而不是空操作指令nop是因为IA32手册规定lock前缀不允许配合nop指令使用),关键在于lock前缀,查询IA32手册,它的作用是使得本CPU的Cache写入了内存,该写入动作也会引起别的CPU或者别的内核无效化(Invalidate)其Cache,这种操作相当于对Cache中的变量做了一次前面介绍Java内存模式中所说的“store和write”操作。 所以通过这样一个空操作,可让前面volatile变量的修改对其他CPU立即可见。
那为何说它禁止指令重排序呢?从硬件架构上讲,指令重排序是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理。 但并不是说指令任意重排,CPU需要能正确处理指令依赖情况以保障程序能得出正确的执行结果。 譬如指令1把地址A中的值加10,指令2把地址A中的值乘以2,指令3把地址B中的值减去3,这时指令1和指令2是有依赖的,它们之间的顺序不能重排——(A+10)*2与A*2+10显然不相等,但指令3可以重排到指令1、 2之前或者中间,只要保证CPU执行后面依赖到A、 B值的操作时能获取到正确的A和B值即可。 所以在本内CPU中,重排序看起来依然是有序的。 因此,lockaddl$0x0,(%esp)指令把修改同步到内存时,意味着所有之前的操作都已经执行完成,这样便形成了“指令重排序无法越过内存屏障”的效果。
解决了volatile的语义问题,再来看看在众多保障并发安全的工具中选用volatile的意义——它能让我们的代码比使用其他的同步工具更快吗?在某些情况下,volatile的同步机制的性能确实要优于锁(使用synchronized关键字或java.util.concurrent包里面的锁),但是由于虚拟机对锁实行的许多消除和优化,使得我们很难量化地认为volatile就会比synchronized快多少。 如果让volatile自己与自己比较,那可以确定一个原则:volatile变量读操作的性能消耗与普通变量几乎没有什么差别,但是写操作则可能会慢一些,因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。 不过即便如此,大多数场景下volatile的总开销仍然要比锁低,我们在volatile与锁之中选择的唯一依据仅仅是volatile的语义能否满足使用场景的需求。

三、java内存模型对volatile的特殊规则
假设T表示一个线程、V1和V2分别表示两个volatile类型变量,那么在进行read、load、use、assign、store和write操作时需要满足以下规则:

1、只有当线程T对变量V1执行的前一个动作是load的时候,线程T才能对变量V1执行use动作;并且,只有当线程T对变量V1执行的后一个动作是use的时候,线程T才能对变量V1执行load动作。线程T对变量V1的use动作可以认为是和线程T对变量V1的load、read动作相关联,必须连续一起出现。这条规则要求在工作内存中,每次使用V1前都必须先从主内存刷新最新的值,用于保证能看见其他线程对变量V1所做的修改后的值。即使用变量:read->load->use。

2、只有当线程T对变量V1执行的前一个动作是assign的时候,线程T才能对变量V1执行store动作;并且,只有当线程T对变量V1执行的后一个动作是store的时候,线程T才能对变量V1执行assign动作。线程T对变量V1的assign动作可以认为是和线程T对变量V1的store、write动作相关联,必须连续一起出现。这条规则要求在工作内存中,每次修改V1后都必须立刻同步回主内存中,用于保证其他线程可以看到自己对变量V1所做的修改。即修改变量:assign->store->write。

3、假定动作A是线程T对变量V1实施的use或assign动作,假定动作F是和动作A相关联的load或store动作,假定动作P是和动作F相应的对变量V1的read或write动作;类似的,假定动作B是线程T对变量V2实施的use或assign动作,假定动作G是和动作B相关联的load或store动作,假定动作Q是和动作G相应的对变量V2的read或write动作。如果A先于B,那么P先于Q。这条规则要求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化,保证代码的执行顺序与程序的顺序相同

 

4.volatile的原理和实现机制

  前面讲述了源于volatile关键字的一些使用,volatile可以实现内存的可见性和防止指令重排序。下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。

通过内存屏障技术实现的。  

下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》:

为了实现volatile的内存语义,编译器在生成字节码时,会在指令序列中插入内存屏障指令(“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)),内存屏障效果有:

  • 禁止volatile 修饰变量指令的重排序(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;)

  • 写入数据强制刷新到主存(它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存)

  • 读取数据强制从主存读取

五.使用volatile关键字的场景

  synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码,那么就会很影响程序执行效率,而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized,但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说,使用volatile必须具备以下2个条件:

  1)对变量的写操作不依赖于当前值,不存在ABA问题

  2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

  实际上,这些条件表明,可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态,包括变量的当前状态。

  事实上,我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作,才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。


第一个条件的限制使 volatile 变量不能用作线程安全计数器。虽然增量操作(x++)看上去类似一个单独操作,实际上它是一个由(读取-修改-写入)操作序列组成的组合操作,必须以原子方式执行,而 volatile 不能提供必须的原子特性。实现正确的操作需要使x 的值在操作期间保持不变,而 volatile 变量无法实现这点。(然而,如果只从单个线程写入,那么可以忽略第一个条件。) 

正确使用volatile关键字的模式:

  1. 状态标志,例如通过一个volatile的boolean类型去判断是否应该停止一个线程。
  2. 一次性安全发布(one-time safe publication),例如单例模式。但是有个条件:被发布的对象必须是线程安全的,或者是有效的不可变对象(有效不可变意味着对象的状态在发布之后永远不会被修改)。volatile 类型的引用可以确保对象的发布形式的可见性,但是如果对象的状态在发布后将发生更改,那么就需要额外的同步。
  3. 独立观察(independent observation),保存最后的关键值
  4. “volatile bean” 模式,在 volatile bean 模式中,JavaBean 的所有数据成员都是 volatile 类型的,并且 getter 和 setter 方法必须非常普通 —— 除了获取或设置相应的属性外,不能包含任何逻辑。
  5. 开销较低的读-写锁策略,因为对volatile的读是具有实时性的,但是写就必须加锁从而保证原子性。对写加锁,读则用volatile变量。

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景:

  • volatile 是Java 提供的一种轻量级同步机制,可以保证共享变量的可见性和有序性(禁止指令重排),常用于

    状态标志、双重检查的单例等场景。使用原则:

  • 对变量的写操作不依赖于当前值。例如 i++ 这种就不适用。

  • 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

    volatile的使用场景不是很多,使用时需要仔细考虑下是否适用volatile,注意满足上面的二个原则。

  • 单个的共享变量的读/写(比如a=1)具有原子性,但是像num++或者a=b+1;这种复合操作,volatile无法保证其原子性;

  • volatile变量:一个线程写,其它线程读的场景。

1.状态标记量(模式 #1:状态标志

这种类型的状态标记的一个公共特性是:通常只有一种状态转换;

volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
    doSomething();
}
 
public void setFlag() {
    flag = true;
}

示例2

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();  
inited = true;            
 
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

示例3

shutdownRequested 标志从false 转换为true,然后程序停止。这种模式可以扩展到来回转换的状态标志,但是只有在转换周期不被察觉的情况下才能扩展(从false 到true,再转换到false)。此外,还需要某些原子状态转换机制,例如原子变量。

也许实现 volatile 变量的规范使用仅仅是使用一个布尔状态标志,用于指示发生了一个重要的一次性事件,例如完成初始化或请求停机。

volatile boolean shutdownRequested;  
  
...  
  
public void shutdown() {   
    shutdownRequested = true;   
}  
  
public void doWork() {   
    while (!shutdownRequested) {   
        // do stuff  
    }  
}

线程1执行doWork()的过程中,可能有另外的线程2调用了shutdown,所以boolean变量必须是volatile。

而如果使用 synchronized 块编写循环要比使用 volatile 状态标志编写麻烦很多。由于 volatile 简化了编码,并且状态标志并不依赖于程序内任何其他状态,因此此处非常适合使用 volatile。

2.double check(一次性安全发布(one-time safe publication))

  在缺乏同步的情况下,可能会遇到某个对象引用的更新值(由另一个线程写入)和该对象状态的旧值同时存在。

这就是造成著名的双重检查锁定(double-checked-locking)问题的根源,其中对象引用在没有同步的情况下进行读操作,产生的问题是您可能会看到一个更新的引用,但是仍然会通过该引用看到不完全构造的对象。参见:【设计模式】5. 单例模式(以及多线程、无序写入、volatile对单例的影响)

  如果不用volatile,则因为内存模型允许所谓的“无序写入”,可能导致失败。——某个线程可能会获得一个未完全初始化的实例。

 1 class Singleton{
 2     private volatile static Singleton instance = null;
 3      
 4     private Singleton() {
 5          
 6     }
 7      
 8     public static Singleton getInstance() {
 9         if(instance==null) {
10             synchronized (Singleton.class) {
11                 if(instance==null)
12                     instance = new Singleton();
13             }
14         }
15         return instance;
16     }
17 }

 

考察上述代码中的 //3 行。此行代码创建了一个 Singleton 对象并初始化变量 instance 来引用此对象。这行代码的问题是:在Singleton 构造函数体执行之前,变量instance 可能成为非 null 的!
什么?这一说法可能让您始料未及,但事实确实如此。
在解释这个现象如何发生前,请先暂时接受这一事实,我们先来考察一下双重检查锁定是如何被破坏的。假设上述代码执行以下事件序列:

    1.     线程 1 进入 getInstance() 方法。
    2.     由于 instance 为 null,线程 1 在 //1 处进入synchronized 块。
    3.     线程 1 前进到 //3 处,但在构造函数执行之前,使实例成为非null。
    4.     线程 1 被线程 2 预占。
    5.     线程 2 检查实例是否为 null。因为实例不为 null,线程 2 将instance 引用返回,返回一个构造完整但部分初始化了的Singleton 对象。
    6.     线程 2 被线程 1 预占。
    7.     线程 1 通过运行 Singleton 对象的构造函数并将引用返回给它,来完成对该对象的初始化。

模式 #3:独立观察(independent observation)

安全使用 volatile 的另一种简单模式是:定期 “发布” 观察结果供程序内部使用。【例如】假设有一种环境传感器能够感觉环境温度。一个后台线程可能会每隔几秒读取一次该传感器,并更新包含当前文档的 volatile 变量。然后,其他线程可以读取这个变量,从而随时能够看到最新的温度值。

使用该模式的另一种应用程序就是收集程序的统计信息。【例】如下代码展示了身份验证机制如何记忆最近一次登录的用户的名字。将反复使用lastUser 引用来发布值,以供程序的其他部分使用。

public class UserManager {  
    public volatile String lastUser; //发布的信息  
  
    public boolean authenticate(String user, String password) {  
        boolean valid = passwordIsValid(user, password);  
        if (valid) {  
            User u = new User();  
            activeUsers.add(u);  
            lastUser = user;  
        }  
        return valid;  
    }  
} 

模式 #4:“volatile bean” 模式

volatile bean 模式的基本原理是:很多框架为易变数据的持有者(例如 HttpSession)提供了容器,但是放入这些容器中的对象必须是线程安全的。

在 volatile bean 模式中,JavaBean 的所有数据成员都是 volatile 类型的,并且 getter 和 setter 方法必须非常普通——即不包含约束!

@ThreadSafe  
public class Person {  
    private volatile String firstName;  
    private volatile String lastName;  
    private volatile int age;  
  
    public String getFirstName() { return firstName; }  
    public String getLastName() { return lastName; }  
    public int getAge() { return age; }  
  
    public void setFirstName(String firstName) {   
        this.firstName = firstName;  
    }  
  
    public void setLastName(String lastName) {   
        this.lastName = lastName;  
    }  
  
    public void setAge(int age) {   
        this.age = age;  
    }  
}  

 

模式 #5:开销较低的“读-写锁”策略

如果读操作远远超过写操作,您可以结合使用内部锁和 volatile 变量来减少公共代码路径的开销。

如下显示的线程安全的计数器,使用 synchronized 确保增量操作是原子的,并使用 volatile 保证当前结果的可见性。如果更新不频繁的话,该方法可实现更好的性能,因为读路径的开销仅仅涉及 volatile 读操作,这通常要优于一个无竞争的锁获取的开销。

@ThreadSafe  
public class CheesyCounter {  
    // Employs the cheap read-write lock trick  
    // All mutative operations MUST be done with the 'this' lock held  
    @GuardedBy("this") private volatile int value;  
  
    //读操作,没有synchronized,提高性能  
    public int getValue() {   
        return value;   
    }   
  
    //写操作,必须synchronized。因为x++不是原子操作  
    public synchronized int increment() {  
        return value++;  
    } 
}

使用锁进行所有变化的操作,使用 volatile 进行只读操作。
其中,锁一次只允许一个线程访问值,volatile 允许多个线程执行读操作  

反例

大多数编程情形都会与这两个条件的其中之一冲突,使得 volatile 变量不能像 synchronized 那样普遍适用于实现线程安全。

【反例:volatile变量不能用于约束条件中】 下面是一个非线程安全的数值范围类。它包含了一个不变式 —— 下界总是小于或等于上界。

@NotThreadSafe   
public class NumberRange {  
    private int lower, upper;  
  
    public int getLower() { return lower; }  
    public int getUpper() { return upper; }  
  
    public void setLower(int value) {   
        if (value > upper)   
            throw new IllegalArgumentException(...);  
        lower = value;  
    }  
  
    public void setUpper(int value) {   
        if (value < lower)   
            throw new IllegalArgumentException(...);  
        upper = value;  
    }  
} 

将 lower 和 upper 字段定义为 volatile 类型不能够充分实现类的线程安全;而仍然需要使用同步——使setLower() 和 setUpper() 操作原子化。

否则,如果凑巧两个线程在同一时间使用不一致的值执行 setLower 和 setUpper 的话,则会使范围处于不一致的状态。例如,如果初始状态是(0, 5),同一时间内,线程 A 调用setLower(4) 并且线程 B 调用setUpper(3),显然这两个操作交叉存入的值是不符合条件的,那么两个线程都会通过用于保护不变式的检查,使得最后的范围值是(4, 3) —— 一个无效值。

 

六、Volatile的实现原理

引言

在多线程并发编程中synchronized和Volatile都扮演着重要的角色,Volatile是轻量级的synchronized,它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时,另外一个线程能读到这个修改的值。

它在某些情况下比synchronized的开销更小,本文将深入分析在硬件层面上Inter处理器是如何实现Volatile的,通过深入分析能帮助我们正确的使用Volatile变量。

术语定义

 

术语

英文单词

 

描述

共享变量

 

在多个线程之间能够被共享的变量被称为共享变量。共享变量包括所有的实例变量,静态变量和数组元素。他们都被存放在堆内存中,Volatile只作用于共享变量。

内存屏障

Memory Barriers

是一组处理器指令,用于实现对内存操作的顺序限制。

缓冲行

Cache line

缓存中可以分配的最小存储单位。处理器填写缓存线时会加载整个缓存线,需要使用多个主内存读周期。

原子操作

Atomic operations

不可中断的一个或一系列操作。

缓存行填充

cache line fill

当处理器识别到从内存中读取操作数是可缓存的,处理器读取整个缓存行到适当的缓存(L1,L2,L3的或所有)

缓存命中

cache hit

如果进行高速缓存行填充操作的内存位置仍然是下次处理器访问的地址时,处理器从缓存中读取操作数,而不是从内存。

写命中

write hit

当处理器将操作数写回到一个内存缓存的区域时,它首先会检查这个缓存的内存地址是否在缓存行中,如果存在一个有效的缓存行,则处理器将这个操作数写回到缓存,而不是写回到内存,这个操作被称为写命中。

写缺失

write misses the cache

一个有效的缓存行被写入到不存在的内存区域。

Volatile的官方定义

Java语言规范第三版中对volatile的定义如下: java编程语言允许线程访问共享变量,为了确保共享变量能被准确和一致的更新,线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。Java语言提供了volatile,在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明成volatile,java线程内存模型确保所有线程看到这个变量的值是一致的。

为什么要使用Volatile

Volatile变量修饰符如果使用恰当的话,它比synchronized的使用和执行成本会更低,因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

Volatile的实现原理

那么Volatile是如何来保证可见性的呢?在x86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来看看对Volatile进行写操作CPU会做什么事情。

Java代码:

instance = new Singleton();//instance是volatile变量

汇编代码:

0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);

0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp);

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多第二行汇编代码,通过查IA-32架构软件开发者手册可知,lock前缀的指令在多核处理器下会引发了两件事情。

  • 将当前处理器缓存行的数据会写回到系统内存。
  • 这个写回内存的操作会引起在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

处理器为了提高处理速度,不直接和内存进行通讯,而是先将系统内存的数据读到内部缓存(L1,L2或其他)后再进行操作,但操作完之后不知道何时会写到内存,如果对声明了Volatile变量进行写操作,JVM就会向处理器发送一条Lock前缀的指令,将这个变量所在缓存行的数据写回到系统内存。但是就算写回到内存,如果其他处理器缓存的值还是旧的,再执行计算操作就会有问题,所以在多处理器下,为了保证各个处理器的缓存是一致的,就会实现缓存一致性协议,每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了,当处理器发现自己缓存行对应的内存地址被修改,就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态,当处理器要对这个数据进行修改操作的时候,会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。

这两件事情在IA-32软件开发者架构手册的第三册的多处理器管理章节(第八章)中有详细阐述。

Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存。Lock前缀指令导致在执行指令期间,声言处理器的 LOCK# 信号。在多处理器环境中,LOCK# 信号确保在声言该信号期间,处理器可以独占使用任何共享内存。(因为它会锁住总线,导致其他CPU不能访问总线,不能访问总线就意味着不能访问系统内存),但是在最近的处理器里,LOCK#信号一般不锁总线,而是锁缓存,毕竟锁总线开销比较大。在8.1.4章节有详细说明锁定操作对处理器缓存的影响,对于Intel486和Pentium处理器,在锁操作时,总是在总线上声言LOCK#信号。但在P6和最近的处理器中,如果访问的内存区域已经缓存在处理器内部,则不会声言LOCK#信号。相反地,它会锁定这块内存区域的缓存并回写到内存,并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性,此操作被称为“缓存锁定”,缓存一致性机制会阻止同时修改被两个以上处理器缓存的内存区域数据

一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。IA-32处理器和Intel 64处理器使用MESI(修改,独占,共享,无效)控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。在多核处理器系统中进行操作的时候,IA-32 和Intel 64处理器能嗅探其他处理器访问系统内存和它们的内部缓存。它们使用嗅探技术保证它的内部缓存,系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。例如在Pentium和P6 family处理器中,如果通过嗅探一个处理器来检测其他处理器打算写内存地址,而这个地址当前处理共享状态,那么正在嗅探的处理器将无效它的缓存行,在下次访问相同内存地址时,强制执行缓存行填充。

 

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

posted on 2015-12-22 15:10  duanxz  阅读(1251)  评论(0编辑  收藏  举报