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多线程之Volatile关键字

概述

volatile在多线程并发时有两个作用,一.实现线程间可见性。二.禁止指令重排序

线程间可见性

例子仍然可以在github中下载
为什么存在线程间可见性问题?
根据java内存模型(JMM ),每个线程都有一个工作内存,共享一个主内存,程序运行时会把主内存的数据,拷贝到工作内存中。并发执行的情况下,如果没有加volatile时,cpu不能保证线程间内存的可见性(cpu会在不忙碌时同步主内存的数据)。
加volatile怎么保证?
加volatile后,虚拟机会保证每个线程写完以后同步到主内存中,并且线程读变量时会把本地变量置为失效,从主内存中读共享变量,另外volatile操作底层使用的是lock指令。

禁止指令重排序

什么是指令重排序?
为了充分利用cpu,指令的执行顺序可能会发生改变,即在后面的指令可能提前执行,这就是指令重排序,但指令重排序必须保证As-If-Serial语义。

As-If-Serial语义
as-if-serial语义的意思是:不管怎么进行指令重排序,单线程内程序的执行结果不能被改变。编译器,处理器进行指令重排序都必须要遵守as-if-serial语义规则。
为了遵守as-if-serial语义,编译器和处理器对存在依赖关系的操作,都不会对其进行重排序,因为这样的重排序很可能会改变执行的结果,但是对不存在依赖关系的操作,就有可能进行重排序。

单线程有序,多线程乱序 因为指令重排序的存在,及程序必须保证as-if-serial语义,在本线程下观察,程序是正确按顺序执行的。但如果多线程共享操作,别的线程就可能受你重排序的影响。
举个例子

public static Singleton getInstance() {
    if(singleton == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if(singleton == null) {
                singleton = new Singleton();
            }
        }
    }
    return singleton;
}
复制代码

上面这段代码大家都很熟悉,double check lock 创建单例。发生指令重排会有什么问题?
我们先看singleton = new Singleton()有哪些指令

  1. new 指令分配空间(这时对象的属性都是默认值)
  2. init 初始化对象数据
  3. astore 将singleton变量指向new出来的Singleton对象

好的假如现在有两个线程A、B并发执行到getInstance方法,线程A判断singleton是空,然后加锁,加锁成功,判断singleton为空,执行singleton = new Singleton(), 这里如果发生了指令重排,先执行new指令分配对象空间,再执行astore将指针指向new出来的数据,注意这时候还没有执行init方法,没有初始化对象,这时线程B判断singleton是否为空,不为空,直接返回使用。这里就有问题了,线程B使用了一个半初始化状态的Singleton对象。 所以DCL创建单例要加volatile.

volatile内存屏障
Java虚拟机规范中规定:

  • 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。

  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。