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volatile原理技术知识整理

volatile是一种轻量且在有限的条件下线程安全技术,它保证修饰的变量的可见性和有序性,但非原子性。相对于synchronize高效,而常常跟synchronize配合使用。
volatile原理.png

一. Java内存模型

这里主要描述的线程,工作内存,主存的变量的读写关系:

  1. 主存存放线程需要操作的变量,但线程并不直接操作主存。
  2. 每个线程读取主存变量都是先拷贝一份到工作内存中,不同线程工作内存互不干扰。
  3. 线程修改了工作内存后,再写回主存中。
  4. 每次从主存读写的过程都需要经过8原子性操作。

java内存模型.png

二. volatile可见性

1. volatile特殊性

(1) 操作use之前必须先执行read和load操作。

(2) 操作assign之后必须执行store和write操作。

由特性性保证了read、load和use的操作连续性,assign、store和write的操作连续性,从而达到工作内存读取前必须刷新主存最新值;工作内存写入后必须同步到主存中。读取的连续性和写入的连续性,看上去像线程直接操作了主存

扩展: lock和unlock操作并不直接开放给用户使用,而是提供给像Synchronize关键字指定monitorenter和monitorexit隐式使用。关于Synchronize的监听器锁monitor,javac编译后会在作用的方法前后增加monitorenter和monitorexit指令,详细的可以查看Synchronize原理。

2. 代码验证可见性
public class VolatileVisibility {

public static class TestData {
	volatile int num = 0;
	public void updateNum(){
		num = 1;
	}
}

public static void main(String[] args) {
	final TestData testData = new TestData();
	new Thread(new Runnable() {
		
		@Override
		public void run() {
			System.out.println("ChildThread num-->"+testData.num);
			try {
				Thread.sleep(1000);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			testData.updateNum();
			System.out.println("ChildThread update num-->"+testData.num);
		}
	}).start();
	
	while (testData.num == 0){
     }
	
	System.out.println("MainThread num-->"+testData.num);
  }
}
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(1) TestData中的num不添加volatile关键字,System.out.println("MainThread num-->"+testData.num);这一句一直不会执行。表示while中的条件testData.num == 0一直为0,子线程修改了num对主线程不起作用。

(2) TestData中的num添加volatile关键字,System.out.println("MainThread num-->"+testData.num);会执行,结果如下。

ChildThread num-->0
ChildThread update num-->1
MainThread num-->1
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三. volatile非原子性

1. use和assign这两个操作整体上不是一个连续性的原子操作。

volatile本身并不对数据运算处理维持原子性,强调的是读写及时影响主存。

2. 非原子性操作

volatile修饰num,num++;num = num+1;这种就是非原子性操作。

(1) 主存读取num的值;

(2) 进行num++运算;

(3) 将num值写到主存。

像种操作在多线程环境中,use和assign是多次出现,如果有两个线程中读取到主存的num都是2,且同时执行num++,两个线程的结果都是3,这样就产生了脏数据,再写入主存中都是3。核心num++运算并没保证先后顺序执行。为了保证执行运算的线程顺序,可以选择Synchronize。

3. 代码验证非原子性
public class ValatileAtomic {
public static class TestData {
	volatile int num = 0;
      //synchronized
	public void updateNum(){
		num++;
	}
}

public static void main(String[] args) {
	final TestData testData = new TestData();
	for(int i = 1; i <= 10; i++) {
        new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
					testData.updateNum();
                }
			}
		}).start();
    }
    
    while (Thread.activeCount() > 2) {
        Thread.yield();
    }
    System.out.println("最终结果:" + testData.num);
  }
}
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按我们的意愿10个线程,每个线程累加线程累加1000,一共是10 * 1000=10000。但是volatile int num = 0; 使用volatile与否都是体现非原子性,运行的结果都比10000小:

最终结果:9701
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为了实现同步操作,在方法updateNum()前添加关键字synchronize即可:

最终结果:10000
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四. volatile有序性

1. volatile禁止指令重排

(1) 指令重排:为了提高性能,编译器和和处理器通常会对指令进行指令重排序。

指令重排.png
图中的三个重排位置可以调换的,根据系统优化需要进行重排。遵循的原则是单线程重排后的执行结果要与顺序执行结果相同。

(2) 内存屏障指令:volatile在指令之间插入内存屏障,保证按照特定顺序执行和某些变量的可见性。

volatile就是通过内存屏障通知cpu和编译器不做指令重排优化来维持有序性。

2. synchronize串行控制

(1) synchronize无禁止指令重排。

(2) 一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作,获取对象锁,互斥排他性达到两个同步块串行执行。

五. volatile线程安全适用范围

由于volatile的非原子性原因,所以它的线程安全是有条件的:

(1) 运算结果不依赖但前置,或者能保证自由一个单一线程修改变量值。

(2) 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变的约束。 这两条件描述出自于《深入理解java虚拟机》。

六. volatile与synchronize配合使用

1. DCL单例代码
public class Singleton {

private volatile static Singleton instance = null;
private Singleton(){
	
}

public static Singleton getInstance(){
	if(instance == null){ // 第①处
		synchronized (Singleton.class) {
			if(instance == null){  // 第②处
				instance = new Singleton();
			}
		}
	}
	return instance;
  }
}
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2.为什么还要使用volatile来修饰

按照上边的写法已经对new Singleton();这个操作进行了synchronize操作,已经保证了多线程只能串行执行这个实例化代码。事实上,synchronize保证了线程执行实例化这段代码是串行的,但是Synchronize并不具备禁止指令重排的特性。

instance = new Singleton(); 主要做了3件事情:

(1) java虚拟机为对象分配一块内存x。

(2) 在内存x上为对象进行初始化 。

(3) 将内存x的地址赋值给instance 变量。

如果编译器进行重排为:

(1) java虚拟机为对象分配一块内存x。

(2) 将内存x的地址赋值给instance 变量。

(3) 在内存x上为对象进行初始化 。

第一种情况,无volatile修饰:此时,有两个线程执行getInstance()方法,加入线程A进入代码的注释中的第②处,并执行到了重排指令的(2),与其同时线程B刚好代码注释中的第①处的if判断。此时,instance有线程A把内存地址x地址赋值给了instance,那么instance已经不为空只是没有初始化完成,线程B就返回了一个没有完成初始化的instance,最终使用时候会出现空指针的错误。

第二种情况,有volatile修饰:instance因为被volatile的禁止指令重排的特性,那只会安装先初始化对象再赋值给instance这样顺序执行,这样就能保证返回正常的实例化的对象。

七. 小结

1.volatile具有可见性和有序性,不能保证原子性。

2.volatile在特定情况下线程安全,比如自身不做非原子性运算。

3.synchronize通过获取对象锁,保证代码块串行执行,无禁止指令重排能力。

4.DCL单例操作需要volatile和synchronize保证线程安全。

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