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反制面试官 | 14张原理图 | 再也不怕被问 volatile!

悟空 爱学习的程序猿,自主开发了Java学习平台、PMP刷题小程序。目前主修Java、多线程、SpringBoot、SpringCloud、k8s。本公众号不限于分享技术,也会分享工具的使用、人生感悟、读书总结。

絮叨

这一篇也算是Java并发编程的开篇,看了很多资料,但是轮到自己去整理去总结的时候,发现还是要多看几遍资料才能完全理解。还有一个很重要的点就是,画图是加深印象和检验自己是否理解的一个非常好的方法。

一、Volatile怎么念?

volatile怎么念

看到这个单词一直不知道怎么发音

英 [ˈvɒlətaɪl]  美 [ˈvɑːlətl]

adj. [化学] 挥发性的;不稳定的;爆炸性的;反复无常的
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那Java中volatile又是干啥的呢?

二、Java中volatile用来干啥?

  • Volatile是Java虚拟机提供的轻量级的同步机制(三大特性)
    • 保证可见性
    • 不保证原子性
    • 禁止指令重排

要理解三大特性,就必须知道Java内存模型(JMM),那JMM又是什么呢?

volatile怎么念

三、JMM又是啥?

这是一份精心总结的Java内存模型思维导图,拿去不谢。

拿走不谢

原理图1-Java内存模型

3.1 为什么需要Java内存模型?

Why:屏蔽各种硬件和操作系统的内存访问差异

JMM是Java内存模型,也就是Java Memory Model,简称JMM,本身是一种抽象的概念,实际上并不存在,它描述的是一组规则或规范,通过这组规范定义了程序中各个变量(包括实例字段,静态字段和构成数组对象的元素)的访问方式。

3.2 到底什么是Java内存模型?

  • 1.定义程序中各种变量的访问规则
  • 2.把变量值存储到内存的底层细节
  • 3.从内存中取出变量值的底层细节

3.3 Java内存模型的两大内存是啥?

原理图2-两大内存

  • 主内存
    • Java堆中对象实例数据部分
    • 对应于物理硬件的内存
  • 工作内存
    • Java栈中的部分区域
    • 优先存储于寄存器和高速缓存

3.4 Java内存模型是怎么做的?

Java内存模型的几个规范:

  • 1.所有变量存储在主内存

  • 2.主内存是虚拟机内存的一部分

  • 3.每条线程有自己的工作内存

  • 4.线程的工作内存保存变量的主内存副本

  • 5.线程对变量的操作必须在工作内存中进行

  • 6.不同线程之间无法直接访问对方工作内存中的变量

  • 7.线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成

由于JVM运行程序的实体是线程,而每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作内存(有些地方称为栈空间),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(读取赋值等)必须在工作内存中进行,首先要将变量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会主内存,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(传值)必须通过主内存来完成,其简要访问过程:

原理图3-Java内存模型

3.5 Java内存模型的三大特性

  • 可见性(当一个线程修改了共享变量的值时,其他线程能够立即得知这个修改)
  • 原子性(一个操作或一系列操作是不可分割的,要么同时成功,要么同时失败)
  • 有序性(变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致)

关于有序性:如果在本线程内观察,所有的操作都是有序的;如果在一个线程中观察另一个线程,所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内似表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics),后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。

四、能给个示例说下怎么用volatile的吗?

考虑一下这种场景:

有一个对象的字段number初始化值=0,另外这个对象有一个公共方法setNumberTo100()可以设置number = 100,当主线程通过子线程来调用setNumberTo100()后,主线程是否知道number值变了呢?

答案:如果没有使用volatile来定义number变量,则主线程不知道子线程更新了number的值。

(1)定义如上述所说的对象:ShareData

class ShareData {
    int number = 0;

    public void setNumberTo100() {
        this.number = 100;
    }
}
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(2)主线程中初始化一个子线程,名字叫做子线程

子线程先休眠3s,然后设置number=100。主线程不断检测的number值是否等于0,如果不等于0,则退出主线程。

public class volatileVisibility {
    public static void main(String[] args) {
        // 资源类
        ShareData shareData = new ShareData();

        // 子线程 实现了Runnable接口的,lambda表达式
        new Thread(() -> {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t come in");

            // 线程睡眠3秒,假设在进行运算
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 修改number的值
            myData.setNumberTo100();

            // 输出修改后的值
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t update number value:" + myData.number);

        }, "子线程").start();

        while(myData.number == 0) {
            // main线程就一直在这里等待循环,直到number的值不等于零
        }

        // 按道理这个值是不可能打印出来的,因为主线程运行的时候,number的值为0,所以一直在循环
        // 如果能输出这句话,说明子线程在睡眠3秒后,更新的number的值,重新写入到主内存,并被main线程感知到了
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 主线程感知到了 number 不等于 0");

        /**
         * 最后输出结果:
         * 子线程     come in
         * 子线程     update number value:100
         * 最后线程没有停止,并行没有输出"主线程知道了 number 不等于0"这句话,说明没有用volatile修饰的变量,变量的更新是不可见的
         */
    }
}
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没有使用volatile

(3)我们用volatile修饰变量number

class ShareData {
    //volatile 修饰的关键字,是为了增加多个线程之间的可见性,只要有一个线程修改了内存中的值,其它线程也能马上感知
    volatile int number = 0;

    public void setNumberTo100() {
        this.number = 100;
    }
}
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输出结果:

子线程	 come in
子线程	 update number value:100
main	 主线程知道了 number 不等于 0

Process finished with exit code 0
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mark

小结:说明用volatile修饰的变量,当某线程更新变量后,其他线程也能感知到。

五、那为什么其他线程能感知到变量更新?

mark

其实这里就是用到了“窥探(snooping)”协议。在说“窥探(snooping)”协议之前,首先谈谈缓存一致性的问题。

5.1 缓存一致性

当多个CPU持有的缓存都来自同一个主内存的拷贝,当有其他CPU偷偷改了这个主内存数据后,其他CPU并不知道,那拷贝的内存将会和主内存不一致,这就是缓存不一致。那我们如何来保证缓存一致呢?这里就需要操作系统来共同制定一个同步规则来保证,而这个规则就有MESI协议。

如下图所示,CPU2 偷偷将num修改为2,内存中num也被修改为2,但是CPU1和CPU3并不知道num值变了。

原理图4-缓存一致性1

5.2 MESI

当CPU写数据时,如果发现操作的变量是共享变量,即在其它CPU中也存在该变量的副本,系统会发出信号通知其它CPU将该内存变量的缓存行设置为无效。如下图所示,CPU1和CPU3 中num=1已经失效了。

原理图5-缓存一致性2

当其它CPU读取这个变量的时,发现自己缓存该变量的缓存行是无效的,那么它就会从内存中重新读取。

如下图所示,CPU1和CPU3发现缓存的num值失效了,就重新从内存读取,num值更新为2。

原理图6-缓存一致性3

5.3 总线嗅探

那其他CPU是怎么知道要将缓存更新为失效的呢?这里是用到了总线嗅探技术。

每个CPU不断嗅探总线上传播的数据来检查自己缓存值是否过期了,如果处理器发现自己的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为无效状态,当处理器对这个数据进行修改操作的时候,会重新从内存中把数据读取到处理器缓存中。

原理图7-缓存一致性4

5.4 总线风暴

总线嗅探技术有哪些缺点?

由于MESI缓存一致性协议,需要不断对主线进行内存嗅探,大量的交互会导致总线带宽达到峰值。因此不要滥用volatile,可以用锁来替代,看场景啦~

六、能演示下volatile为什么不保证原子性吗?

原子性:一个操作或一系列操作是不可分割的,要么同时成功,要么同时失败。

这个定义和volatile啥关系呀,完全不能理解呀?Show me the code!

考虑一下这种场景:

当20个线程同时给number自增1,执行1000次以后,number的值为多少呢?

在单线程的场景,答案是20000,如果是多线程的场景下呢?答案是可能是20000,但很多情况下都是小于20000。

示例代码:

package com.jackson0714.passjava.threads;

/**
 演示volatile 不保证原子性
 * @create: 2020-08-13 09:53
 */

public class VolatileAtomicity {
    public static volatile int number = 0;

    public static void increase() {
        number++;
    }

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    increase();
                }
            }, String.valueOf(i)).start();
        }

        // 当所有累加线程都结束
        while(Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }

        System.out.println(number);
    }
}
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执行结果:第一次19144,第二次20000,第三次19378。

volatile第一次执行结果

volatile第二次执行结果

volatile第三次执行结果

我们来分析一下increase()方法,通过反编译工具javap得到如下汇编代码:

  public static void increase();
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field number:I
       3: iconst_1
       4: iadd
       5: putstatic     #2                  // Field number:I
       8: return
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number++其实执行了3条指令

getstatic:拿number的原始值 iadd:进行加1操作 putfield:把加1后的值写回

执行了getstatic指令number的值取到操作栈顶时,volatile关键字保证了number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number的值改变了,而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number值同步回主内存之中。

总结如下:

在执行number++这行代码时,即使使用volatile修饰number变量,在执行期间,还是有可能被其他线程修改,没有保证原子性。

七、怎么保证输出结果是20000呢?

7.1 synchronized同步代码块

我们可以通过使用synchronized同步代码块来保证原子性。从而使结果等于20000

public synchronized static void increase() {
   number++;
}
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synchronized同步代码块执行结果

但是使用synchronized太重了,会造成阻塞,只有一个线程能进入到这个方法。我们可以使用Java并发包(JUC)中的AtomicInterger工具包。

7.2 AtomicInterger原子性操作

我们来看看AtomicInterger原子自增的方法getAndIncrement()

AtomicInterger

public static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

public static void main(String[] args) {

    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                atomicInteger.getAndIncrement();
            }
        }, String.valueOf(i)).start();
    }

    // 当所有累加线程都结束
    while(Thread.activeCount() > 2) {
        Thread.yield();
    }

    System.out.println(atomicInteger);
}
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多次运行的结果都是20000。

getAndIncrement的执行结果

八、禁止指令重排又是啥?

说到指令重排就得知道为什么要重排,有哪几种重排。

如下图所示,指令执行顺序是按照1>2>3>4的顺序,经过重排后,执行顺序更新为指令3->4->2->1。

原理图8-指令重排

会不会感觉到重排把指令顺序都打乱了,这样好吗?

可以回想下小学时候的数学题:2+3-5=?,如果把运算顺序改为3-5+2=?,结果也是一样的。所以指令重排是要保证单线程下程序结果不变的情况下做重排。

8.1 为什么要重排

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序。

8.2 有哪几种重排

  • 1.编译器优化重排:编译器在不改变单线程程序语义的前提下,可以重新安排语句的执行顺序。

  • 2.指令级的并行重排:现代处理器采用了指令级并行技术来将多条指令重叠执行。如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。

  • 3.内存系统的重排:由于处理器使用缓存和读/写缓冲区,这使得加载和存储操作看上去可能是在乱序执行。

原理图9-三种重排

注意:

  • 单线程环境里面确保最终执行结果和代码顺序的结果一致

  • 处理器在进行重排序时,必须要考虑指令之间的数据依赖性

  • 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。

8.3 举个例子来说说多线程中的指令重排?

设想一下这种场景:定义了变量num=0和变量flag=false,线程1调用初始化函数init()执行后,线程调用add()方法,当另外线程判断flag=true后,执行num+100操作,那么我们预期的结果是num会等于101,但因为有指令重排的可能,num=1和flag=true执行顺序可能会颠倒,以至于num可能等于100

public class VolatileResort {
    static int num = 0;
    static boolean flag = false;
    public static void init() {
        num= 1;
        flag = true;
    }
    public static void add() {
        if (flag) {
            num = num + 5;
            System.out.println("num:" + num);
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        init();
        new Thread(() -> {
            add();
        },"子线程").start();
    }
}

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先看线程1中指令重排:

num= 1;flag = true; 的执行顺序变为 flag=true;num = 1;,如下图所示的时序图

原理图10-线程1指令重排

如果线程2 num=num+5 在线程1设置num=1之前执行,那么线程2的num变量值为5。如下图所示的时序图。

原理图11-线程2在num=1之前执行

8.4 volatile怎么实现禁止指令重排?

我们使用volatile定义flag变量:

static volatile boolean flag = false;
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如何实现禁止指令重排:

原理:在volatile生成的指令序列前后插入内存屏障(Memory Barries)来禁止处理器重排序。

有如下四种内存屏障:

四种内存屏障

volatile写的场景如何插入内存屏障:

  • 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障(写-写 屏障)。

  • 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障(写-读 屏障)。

原理图12-volatile写的场景如何插入内存屏障

StoreStore屏障可以保证在volatile写(flag赋值操作flag=true)之前,其前面的所有普通写(num的赋值操作num=1) 操作已经对任意处理器可见了,保障所有普通写在volatile写之前刷新到主内存。

volatile读场景如何插入内存屏障:

  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障(读-读 屏障)。

  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障(读-写 屏障)。

原理图13-volatile读场景如何插入内存屏障

LoadStore屏障可以保证其后面的所有普通写(num的赋值操作num=num+5) 操作必须在volatile读(if(flag))之后执行。

十、volatile常见应用

这里举一个应用,双重检测锁定的单例模式

package com.jackson0714.passjava.threads;
/**
 演示volatile 单例模式应用(双边检测)
 * @author: 悟空聊架构
 * @create: 2020-08-17
 */

class VolatileSingleton {
    private static VolatileSingleton instance = null;
    private VolatileSingleton() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 我是构造方法SingletonDemo");
    }
    public static VolatileSingleton getInstance() {
        // 第一重检测
        if(instance == null) {
            // 锁定代码块
            synchronized (VolatileSingleton.class) {
                // 第二重检测
                if(instance == null) {
                    // 实例化对象
                    instance = new VolatileSingleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}
复制代码

代码看起来没有问题,但是 instance = new VolatileSingleton();其实可以看作三条伪代码:

memory = allocate(); // 1、分配对象内存空间
instance(memory); // 2、初始化对象
instance = memory; // 3、设置instance指向刚刚分配的内存地址,此时instance != null
复制代码

步骤2 和 步骤3之间不存在 数据依赖关系,而且无论重排前 还是重排后,程序的执行结果在单线程中并没有改变,因此这种重排优化是允许的。

memory = allocate(); // 1、分配对象内存空间
instance = memory; // 3、设置instance指向刚刚分配的内存地址,此时instance != null,但是对象还没有初始化完成
instance(memory); // 2、初始化对象
复制代码

如果另外一个线程执行:if(instance == null) 时,则返回刚刚分配的内存地址,但是对象还没有初始化完成,拿到的instance是个假的。如下图所示:

原理图14-双重检锁存在的并发问题

解决方案:定义instance为volatile变量

private static volatile VolatileSingleton instance = null;
复制代码

十一、volatile都不保证原子性,为啥我们还要用它?

奇怪的是,volatile都不保证原子性,为啥我们还要用它?

volatile是轻量级的同步机制,对性能的影响比synchronized小。

典型的用法:检查某个状态标记以判断是否退出循环。

比如线程试图通过类似于数绵羊的传统方法进入休眠状态,为了使这个示例能正确执行,asleep必须为volatile变量。否则,当asleep被另一个线程修改时,执行判断的线程却发现不了。

那为什么我们不直接用synchorized,lock锁?它们既可以保证可见性,又可以保证原子性为何不用呢?

因为synchorized和lock是排他锁(悲观锁),如果有多个线程需要访问这个变量,将会发生竞争,只有一个线程可以访问这个变量,其他线程被阻塞了,会影响程序的性能。

注意:当且仅当满足以下所有条件时,才应该用volatile变量

  • 对变量的写入操作不依赖变量的当前值,或者你能确保只有单个线程更新变量的值。
  • 该变量不会与其他的状态一起纳入不变性条件中。
  • 在访问变量时不需要加锁。

十二、volatile和synchronzied的区别

  • volatile只能修饰实例变量和类变量,synchronized可以修饰方法和代码块。
  • volatile不保证原子性,而synchronized保证原子性
  • volatile 不会造成阻塞,而synchronized可能会造成阻塞
  • volatile 轻量级锁,synchronized重量级锁
  • volatile 和synchronized都保证了可见性和有序性

十三、小结

  • volatile 保证了可见性:当一个线程修改了共享变量的值时,其他线程能够立即得知这个修改。
  • volatile 保证了单线程下指令不重排:通过插入内存屏障保证指令执行顺序。
  • volatitle不保证原子性,如a++这种自增操作是有并发风险的,比如扣减库存、发放优惠券的场景。
  • volatile 类型的64位的long型和double型变量,对该变量的读/写具有原子性。
  • volatile 可以用在双重检锁的单例模式种,比synchronized性能更好。
  • volatile 可以用在检查某个状态标记以判断是否退出循环。

参考资料:

《深入理解Java虚拟机》

《Java并发编程的艺术》

《Java并发编程实战》

期待后篇么?CAS走起!

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