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对volatile的理解

JMM 是什么

JMM(java内存模型 Java Memory Model)本身是一种抽象的概念,描述一组规则后规范通过这组规范定义了程序中各个变量(包括实例字段,静态变量和组成数组对象的元素)的访问方式。

JMM关于同步的规定:

  1. 线程解锁前,必须把共享变量的值刷新回主内存
  2. 线程加锁前,必须读取主内存的最新值到自己的工作内存
  3. 加解锁是同一把锁

由于JMM运行程序的实体是线程,而每个线程创建JVM都会为其创建一个工作内存,工作内存是每个线程的私有数据区域,而Java内存模型中规定所有变量都存储在 主内存,主内存是共享内存区域,所有线程都可以访问,但线程对变量的操作(读取或赋值)必须在工作内存中进行,首先要将内存从主内存拷贝到自己的工作内存空间,然后对变量进行操作,操作完成后再将变量写回到主内存,不能直接操作主内存中的变量,各个线程中的工作内存中存储着主内存中的变量副本拷贝,因此不同的线程间无法访问对方的工作内存,线程间的通信(值传递)必须通过主内存来完成。访问过程如下:

JMM

JMM三个特性(约束)

  1. 可见性
  2. 原子性
  3. 有序性

volatile是什么

volatile是Java虚拟机提供的轻量级同步机制

  1. 保证可见性
  2. 不保证原子性
  3. 禁止指令重排

什么是可见性

 public class VolatileDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyData myData = new MyData();
        new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            myData.add60();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "  线程内修改num的值为 :" + myData.number);
        }, "Thread1").start();

        while (myData.number == 0) {

        }
        TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "   主线程从循环中跳出");
    }
}

class MyData {
    volatile int number = 0;

    void add60() {
        this.number = 60;
    }
}
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以上代码执行结果为

Thread1  线程内修改num的值为 :60
main   主线程从循环中跳出
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由结果可知,线程之间是有可见性的,即线程Thread1 修改了number的值为60,主线程的工作内存中的number读到修改后的值为60,便跳出循环,输出循环外的语句。

如果将classData中的number去掉volatile的修饰,则线程间没有可见性,即主线程读不到number修改后的值,main的工作内存中还是保留number值为0,则一直停留在循环中。

什么是原子性

不可见分割,完整性,某个线程正在做某个具体业务时,中间不可被加塞或者分割,需要整体完成,要么成功,要么失败。

public class VolatileAtomicity {
    public static void main(String[] args) {
        MyDatas myDatas = new MyDatas();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    myDatas.numPlusPlus();
                }
            }).start();
        }
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println(myDatas.number);
    }
}

class MyDatas {
    volatile int number = 0;

    void numPlusPlus() {
        number++;
    }
}
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以上代码执行结果总是小于2000
首先我们知道 number++ 操作是分两步执行:

  1. 获取当前number的值
  2. number++
  3. 结果放回主内存中。
    根据上述,volatile修饰的number是不保证原子性的,也就是在执行number++的过程会被其他线程打断,即A线程获取number的值为1时,同时B线程也获取了number的值为1,A进行第二步number+1,然后第三步准备将结果2放回主内存时,线程B抢先一步将其工作内存中number+1的结果2放回主内存,理论上A/B两个线程各加了1,结果应该为3,但是实际上A线程计算结果也是2,放回主内存时只是覆盖了B线程的结果,最终主内存中的结果在经过两个线程分别+1后还是2.

以上,可知volatile是不符合JMM规定的原子性的,同时number++在多线程下是非线程安全的。

如何解决原子性问题

  • 加synchronized
  • 使用原子类AtomicInteger
    使用synchronized对于此场景来说太重,因此优先考虑使用AtomicInteger作为number的类型。

有序性

volatile的有序性表现在 禁止指令重排    
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指令重排

计算机在执行程序时,为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排,一般分为三类:

指令重排

单线程环境里面确保程序最终执行结果和代码顺序执行的结果一致
处理器在进行重排序时必须考虑指令间的数据依赖性
多线程环境中线程交替执行,由于编译器优化重排的存在,两个线程中使用的变量能否保证一致性是无法确定的,结果无法预测

    void mysort() {
        int x = 11;
        int y = 12;
        x = x + 5;
        y = x * x;
    }
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以上代码,执行顺序 1234、2134、1324 是不影响最终的结果的,因此代码编译后指令顺序不一定为1234,这种行为在多线程下可能会造成结果的误差。

public class ReSoreSeqDemo {
    int a = 0;
    boolean flag = false;

    public void method1() {
        a = 1;
        flag = true;
    }

    public void method2() {
        if (flag) {
            a = a + 5;
            System.out.println("****value = " + a);
        }
    }
}
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如上代码,现有两个线程A/B,分别执行method1和2,仅对于线程A来说,method1方法两行执行顺序先后没有关系。但是如果method1顺序变了,先执行flag=true,这时线程B就进入method2的判断中,a=5,再接着执行线程A的 a=1,最后结果为 a = 1,与期望结果 a=1 然后 a = a+5 的结果有差异。这就是需要禁止指令重排的原因。

volatile实现禁止指令重排优化,从而避免多线程环境下环境出现乱序执行的现象。

内存屏障(Memory Barrier)

内存屏障又称内存栅栏,是一个CPU指令,他的作用有两个:

  1. 保证特定操作的执行顺序
  2. 保证某些变量的内存可见性(利用该特性实现volatile的内存可见性)

由于编译器和处理器都能执行指令重排优化。如果在指令间插入一条MemoryBarrier则会告诉编译器和CPU, 不管什么指令都不能和这条MemoryBarrier指令重排序,也就是通过内存屏障禁止在内存屏障前后的指令执行重排序优化。内存屏障另外的一个作用是强制刷出各种CPU的焕醋拿数据,因此任何CPU上的线程都能读取到这些数据的最新版本。

对volatile变量进行写操作时,会在写操作后加入一条store屏障指令,将工作内存中的共享变量之刷新到主内存中;
对volatile变量进行读操作时,会在读操作前加入一条load屏障指令,从主内存中读取共享变量

线程安全如何获得保障

工作内存和主内存同步延迟现象导致的可见性问题

  • 可以使用synchronized或volatile关键字解决,他们都可以是一个线程修改后的变量立即对其他线程可见

对于指令重排导致的可见性问题和有序性问题

  • 可以利用volatile关键字解决,因为volatile的另一个作用就是禁止重排指令优化

本文结束
内容根据尚硅谷视频总结
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