Java并发编程基础之volatile

　　首先简单介绍一下volatile的应用，volatile作为Java多线程中轻量级的同步措施，保证了多线程环境中“共享变量”的可见性。这里的可见性简单而言可以理解为当一个线程修改了一个共享变量的时候，另外的线程能够读到这个修改的值。下面就是volatile的具体定义和实现原理。上一篇Java内存模型

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);
    }
}

参考自《Java并发编程的艺术》 《Java多线程编程核心技术》