详解Java线程编程中的volatile关键字的作用

      2020-05-18 06:40      JAVA编程
这篇文章主要介绍了Java线程编程中的volatile关键字的作用,针对其禁止进行指令重排序和读写内存方面着重讲解,需要的朋友可以参考下

1.volatile关键字的两层语义

  一旦一个共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量)被volatile修饰之后,那么就具备了两层语义:

  1)保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性,即一个线程修改了某个变量的值,这新值对其他线程来说是立即可见的。

  2)禁止进行指令重排序。

  先看一段代码,假如线程1先执行,线程2后执行:

//线程1boolean stop = false;while(!stop){  doSomething();} //线程2stop = true;

  这段代码是很典型的一段代码,很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上,这段代码会完全运行正确么?即一定会将线程中断么?不一定,也许在大多数时候,这个代码能够把线程中断,但是也有可能会导致无法中断线程(虽然这个可能性很小,但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了)。

  下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过,每个线程在运行过程中都有自己的工作内存,那么线程1在运行的时候,会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。

  那么当线程2更改了stop变量的值之后,但是还没来得及写入主存当中,线程2转去做其他事情了,那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改,因此还会一直循环下去。

  但是用volatile修饰之后就变得不一样了:

  第一:使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;

  第二:使用volatile关键字的话,当线程2进行修改时,会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效(反映到硬件层的话,就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效);

  第三:由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

  那么在线程2修改stop值时(当然这里包括2个操作,修改线程2工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,然后线程1读取时,发现自己的缓存行无效,它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后,然后去对应的主存读取最新的值。

  那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

2.volatile的特性

当我们声明共享变量为volatile后,对这个变量的读/写将会很特别。理解volatile特性的一个好方法是:把对volatile变量的单个读/写,看成是使用同一个监视器锁对这些单个读/写操作做了同步。下面我们通过具体的示例来说明,请看下面的示例代码:

class VolatileFeaturesExample {  volatile long vl = 0L; //使用volatile声明64位的long型变量  public void set(long l) {    vl = l;  //单个volatile变量的写  }  public void getAndIncrement () {    vl++;  //复合(多个)volatile变量的读/写  }  public long get() {    return vl;  //单个volatile变量的读  }}

假设有多个线程分别调用上面程序的三个方法,这个程序在语意上和下面程序等价:

class VolatileFeaturesExample {  long vl = 0L;        // 64位的long型普通变量  public synchronized void set(long l) {   //对单个的普通 变量的写用同一个监视器同步    vl = l;  }  public void getAndIncrement () { //普通方法调用    long temp = get();      //调用已同步的读方法    temp += 1L;         //普通写操作    set(temp);          //调用已同步的写方法  }  public synchronized long get() {   //对单个的普通变量的读用同一个监视器同步    return vl;  }}

如上面示例程序所示,对一个volatile变量的单个读/写操作,与对一个普通变量的读/写操作使用同一个监视器锁来同步,它们之间的执行效果相同。

监视器锁的happens-before规则保证释放监视器和获取监视器的两个线程之间的内存可见性,这意味着对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入。

3.volatile写-读建立的happens before关系

上面讲的是volatile变量自身的特性,对程序员来说,volatile对线程的内存可见性的影响比volatile自身的特性更为重要,也更需要我们去关注。

从JSR-133开始,volatile变量的写-读可以实现线程之间的通信。

从内存语义的角度来说,volatile与监视器锁有相同的效果:volatile写和监视器的释放有相同的内存语义;volatile读与监视器的获取有相同的内存语义。

请看下面使用volatile变量的示例代码:

class VolatileExample {  int a = 0;  volatile boolean flag = false;  public void writer() {    a = 1;          //1    flag = true;        //2  }  public void reader() {    if (flag) {        //3      int i = a;      //4      ……    }  }}

假设线程A执行writer()方法之后,线程B执行reader()方法。根据happens before规则,这个过程建立的happens before 关系可以分为两类:

根据程序次序规则,1 happens before 2; 3 happens before 4。
根据volatile规则,2 happens before 3。
根据happens before 的传递性规则,1 happens before 4。
上述happens before 关系的图形化表现形式如下:

在上图中,每一个箭头链接的两个节点,代表了一个happens before 关系。黑色箭头表示程序顺序规则;橙色箭头表示volatile规则;蓝色箭头表示组合这些规则后提供的happens before保证。

这里A线程写一个volatile变量后,B线程读同一个volatile变量。A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量,在B线程读同一个volatile变量后,将立即变得对B线程可见。

4.volatile写-读的内存语义

volatile写的内存语义如下:

当写一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量刷新到主内存。
以上面示例程序VolatileExample为例,假设线程A首先执行writer()方法,随后线程B执行reader()方法,初始时两个线程的本地内存中的flag和a都是初始状态。下图是线程A执行volatile写后,共享变量的状态示意图:

如上图所示,线程A在写flag变量后,本地内存A中被线程A更新过的两个共享变量的值被刷新到主内存中。此时,本地内存A和主内存中的共享变量的值是一致的。

volatile读的内存语义如下:

当读一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将从主内存中读取共享变量。
下面是线程B读同一个volatile变量后,共享变量的状态示意图:

如上图所示,在读flag变量后,本地内存B已经被置为无效。此时,线程B必须从主内存中读取共享变量。线程B的读取操作将导致本地内存B与主内存中的共享变量的值也变成一致的了。

如果我们把volatile写和volatile读这两个步骤综合起来看的话,在读线程B读一个volatile变量后,写线程A在写这个volatile变量之前所有可见的共享变量的值都将立即变得对读线程B可见。

下面对volatile写和volatile读的内存语义做个总结:

线程A写一个volatile变量,实质上是线程A向接下来将要读这个volatile变量的某个线程发出了(其对共享变量所在修改的)消息。
线程B读一个volatile变量,实质上是线程B接收了之前某个线程发出的(在写这个volatile变量之前对共享变量所做修改的)消息。
线程A写一个volatile变量,随后线程B读这个volatile变量,这个过程实质上是线程A通过主内存向线程B发送消息。

5.volatile保证原子性吗?

从上面知道volatile关键字保证了操作的可见性,但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗?

  下面看一个例子:

public class Test {  public volatile int inc = 0;     public void increase() {    inc++;  }     public static void main(String[] args) {    final Test test = new Test();    for(int i=0;i<10;i++){      new Thread(){        public void run() {          for(int j=0;j<1000;j++)            test.increase();        };      }.start();    }         while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完      Thread.yield();    System.out.println(test.inc);  }}

  大家想一下这段程序的输出结果是多少?也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致,都是一个小于10000的数字。

  可能有的朋友就会有疑问,不对啊,上面是对变量inc进行自增操作,由于volatile保证了可见性,那么在每个线程中对inc自增完之后,在其他线程中都能看到修改后的值啊,所以有10个线程分别进行了1000次操作,那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

  这里面就有一个误区了,volatile关键字能保证可见性没有错,但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值,但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

  在前面已经提到过,自增操作是不具备原子性的,它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行,就有可能导致下面这种情况出现:

  假如某个时刻变量inc的值为10,

  线程1对变量进行自增操作,线程1先读取了变量inc的原始值,然后线程1被阻塞了;

  然后线程2对变量进行自增操作,线程2也去读取变量inc的原始值,由于线程1只是对变量inc进行读取操作,而没有对变量进行修改操作,所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效,所以线程2会直接去主存读取inc的值,发现inc的值时10,然后进行加1操作,并把11写入工作内存,最后写入主存。

  然后线程1接着进行加1操作,由于已经读取了inc的值,注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10,所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11,然后将11写入工作内存,最后写入主存。

  那么两个线程分别进行了一次自增操作后,inc只增加了1。

  解释到这里,可能有朋友会有疑问,不对啊,前面不是保证一个变量在修改volatile变量时,会让缓存行无效吗?然后其他线程去读就会读到新的值,对,这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则,但是要注意,线程1对变量进行读取操作之后,被阻塞了的话,并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的,但是线程1没有进行修改,所以线程2根本就不会看到修改的值。

  根源就在这里,自增操作不是原子性操作,而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。

  把上面的代码改成以下任何一种都可以达到效果:

  采用synchronized:

public class Test {  public int inc = 0;    public synchronized void increase() {    inc++;  }    public static void main(String[] args) {    final Test test = new Test();    for(int i=0;i<10;i++){      new Thread(){        public void run() {          for(int j=0;j<1000;j++)            test.increase();        };      }.start();    }        while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完      Thread.yield();    System.out.println(test.inc);  }}

  采用Lock:

public class Test {  public int inc = 0;  Lock lock = new ReentrantLock();    public void increase() {    lock.lock();    try {      inc++;    } finally{      lock.unlock();    }  }    public static void main(String[] args) {    final Test test = new Test();    for(int i=0;i<10;i++){      new Thread(){        public void run() {          for(int j=0;j<1000;j++)            test.increase();        };      }.start();    }        while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完      Thread.yield();    System.out.println(test.inc);  }}

  采用AtomicInteger:

public class Test {  public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();     public void increase() {    inc.getAndIncrement();  }    public static void main(String[] args) {    final Test test = new Test();    for(int i=0;i<10;i++){      new Thread(){        public void run() {          for(int j=0;j<1000;j++)            test.increase();        };      }.start();    }        while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完      Thread.yield();    System.out.println(test.inc);  }}

  在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类,即对基本数据类型的 自增(加1操作),自减(减1操作)、以及加法操作(加一个数),减法操作(减一个数)进行了封装,保证这些操作是原子性操作。atomic是利用CAS来实现原子性操作的(Compare And Swap),CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的,而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

6.volatile能保证有序性吗?

  在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序,所以volatile能在一定程度上保证有序性。

  volatile关键字禁止指令重排序有两层意思:

  1)当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时,在其前面的操作的更改肯定全部已经进行,且结果已经对后面的操作可见;在其后面的操作肯定还没有进行;

  2)在进行指令优化时,不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行,也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

  可能上面说的比较绕,举个简单的例子:

//x、y为非volatile变量//flag为volatile变量 x = 2;    //语句1y = 0;    //语句2flag = true; //语句3x = 4;     //语句4y = -1;    //语句5

  由于flag变量为volatile变量,那么在进行指令重排序的过程的时候,不会将语句3放到语句1、语句2前面,也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。

  并且volatile关键字能保证,执行到语句3时,语句1和语句2必定是执行完毕了的,且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。

  那么我们回到前面举的一个例子:

//线程1:context = loadContext();  //语句1inited = true;       //语句2 //线程2:while(!inited ){ sleep()}doSomethingwithconfig(context);

  前面举这个例子的时候,提到有可能语句2会在语句1之前执行,那么久可能导致context还没被初始化,而线程2中就使用未初始化的context去进行操作,导致程序出错。

  这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰,就不会出现这种问题了,因为当执行到语句2时,必定能保证context已经初始化完毕。