java并发编程(2)--volatile（转）

时间：2022-11-22 16:26:38

转载：http://ifeve.com/volatile/

作者：方 腾飞

花名清英，并发网(ifeve.com)创始人，畅销书《Java并发编程的艺术》作者，蚂蚁金服技术专家。目前工作于支付宝微贷事业部，关注互联网金融，并发编程和敏捷实践。

  1. Volatile是轻量级的synchronized，它在多处理器开发中保证了共享变量的“可见性”。
  2. 可见性的意思是当一个线程修改一个共享变量时，另外一个线程能读到这个修改的值。
  3. 共享变量：在多个线程之间能够被共享的变量被称为共享变量。共享变量包括所有的实例变量，静态变量和数组元素。他们都被存放在堆内存中，volatile只作用域共享变量。
  4. 内存屏障（Memory Barriers）：是一组处理器指令，用于实现对内存操作的顺序限制。
  5. 缓冲行（Cache line）：缓存中可以分配的最小存储单位。处理器填写缓存线时会加载整个缓存线，需要使用多个主内存读周期。
  6. 原子操作（Atomic operations）：不可中断的一个或一系列操作。
  7. 缓存行填充（cache line fill）：当处理器识别到从内存中读取操作数是可缓存的，处理器读取整个缓存行到适当的缓存（L1,L2,L3的或所有）。
  8. 缓存命中（cache hit）：如果进行高速缓存行填充操作的内存位置仍然是下次处理器访问的地址时，处理器从缓存中读取操作数，而不是从内存。
  9. 写命中（write hit）：当处理器将操作数写回到一个内存缓存的区域时，它首先会检查这个缓存的内存地址是否在缓存行中，如果存在一个有效的缓存行，则处理器将这个操作数写回到缓存，而不是写会到内存，这个操作被称为写命中。
  10. 写缺失（write misses the cache）：一个有效的缓存行被写入到不存在的内存区域。

Volatile的官方定义

java语言规范第三版中对volatile的定义如下：java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排它锁单独获得这个变量。java语言提供了volatile，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段被声明或volatile，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量值是一致的。

为什么要用volatile

volatile变量修饰符如果使用恰当的话，它比synchronized的使用和执行成本会更低，因为它不会引起线程上下文的切换和调度。

volatile的实现原理

在x86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来看看对Volatile进行写操作CPU会做什么事情。

java并发编程(2)--volatile（转）

有volatile变量修饰的共享变量进行写操作的时候会多第二行汇编代码，通过查IA-32架构软件开发者手册可知，lock前缀的指令在多核处理器下会发生两件事情：

  • 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存
  • 这个写回内存的操作会引起在其他cpu里缓存了该地址的数据无效

处理器为了提高处理速度，不知和内存进行通讯，而是先将系统内存的数据读到内部缓存（L1,L2或其他）后再进行操作，但操作完之后不知道何时会写到内存，如果对声明了volatile变量进行写操作，jvm就会向处理器发送一条lock前缀的指令，将这个变量所在的缓存行的数据写回到系统内存。但是就算写回到内存，如果其他处理器缓存的值还是旧的，再执行计算操作就会出问题，所以在多处理器下，为了保证各个处理器的缓存是一致的，就会实现缓存一致性协议，每个处理器通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的值是不是过期了，当处理器发现自己缓存行对象的内存地址被修改，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操作的时候，会强制重新从系统内存里把数据读到处理器缓存里。

这两件事情在IA-32软件开发者架构手册的第三册的多处理器管理章节（第八章）中有详细阐述。

Lock前缀指令会引起处理器缓存回写到内存。Lock前缀指令导致在执行指令期间，声言处理器的 LOCK# 信号。在多处理器环境中，LOCK# 信号确保在声言该信号期间，处理器可以独占使用任何共享内存。（因为它会锁住总线，导致其他CPU不能访问总线，不能访问总线就意味着不能访问系统内存），但是在最近的处理器里，LOCK＃信号一般不锁总线，而是锁缓存，毕竟锁总线开销比较大。在8.1.4章节有详细说明锁定操作对处理器缓存的影响，对于Intel486和Pentium处理器，在锁操作时，总是在总线上声言LOCK#信号。但在P6和最近的处理器中，如果访问的内存区域已经缓存在处理器内部，则不会声言LOCK#信号。相反地，它会锁定这块内存区域的缓存并回写到内存，并使用缓存一致性机制来确保修改的原子性，此操作被称为“缓存锁定”，缓存一致性机制会阻止同时修改被两个以上处理器缓存的内存区域数据。

一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效。IA-32处理器和Intel 64处理器使用MESI（修改，独占，共享，无效）控制协议去维护内部缓存和其他处理器缓存的一致性。在多核处理器系统中进行操作的时候，IA-32 和Intel 64处理器能嗅探其他处理器访问系统内存和它们的内部缓存。它们使用嗅探技术保证它的内部缓存，系统内存和其他处理器的缓存的数据在总线上保持一致。例如在Pentium和P6 family处理器中，如果通过嗅探一个处理器来检测其他处理器打算写内存地址，而这个地址当前处理共享状态，那么正在嗅探的处理器将无效它的缓存行，在下次访问相同内存地址时，强制执行缓存行填充。

以下转载：http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html， 作者海子

java内存模型

一.内存模型的相关概念

　　大家都知道，计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存（物理内存）当中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。

　　也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中，那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束之后，再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子，比如下面的这段代码：

1
i = i + 1;

　　当线程执行这个语句时，会先从主存当中读取i的值，然后复制一份到高速缓存当中，然后CPU执行指令对i进行加1操作，然后将数据写入高速缓存，最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

　　这个代码在单线程中运行是没有任何问题的，但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中，每条线程可能运行于不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存（对单核CPU来说，其实也会出现这种问题，只不过是以线程调度的形式来分别执行的）。本文我们以多核CPU为例。

　　比如同时有2个线程执行这段代码，假如初始时i的值为0，那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。但是事实会是这样吗？

　　可能存在下面一种情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作之后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。

　　最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

　　也就是说，如果一个变量在多个CPU中都存在缓存（一般在多线程编程时才会出现），那么就可能存在缓存不一致的问题。

　　为了解决缓存不一致性问题，通常来说有以下2种解决方法：

　　1）通过在总线加LOCK#锁的方式

　　2）通过缓存一致性协议

　　这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

　　在早期的CPU当中，是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK#锁的话，也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LCOK#锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

　　但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。

　　所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的，那么它就会从内存重新读取。

java并发编程(2)--volatile（转）

在java虚拟机规范中视图定义一种java内存模型（java memory model，jmm）来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异，以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。它定义了程序中变量的访问规则，就是定义了程序的执行次序。注意，为了获得较好的性能，java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的寄存器或者告诉缓存来提升指令执行速度，也没有限制编译器对指令进行重排序。也就是说，在java内存模型中，也会存在缓存一致性问题和指令重排序问题。

java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中（类似前面说的物理内存），每个线程都有自己的工作内存（类似前面的高速缓存）。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行，而不能直接对主存进行操作。每个线程不能访问其他线程的工作内存。举个简单的例子：在java中，执行下面的语句：

i=10;

　　执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操作，然后再写入主存中。而不是直接将数值10写入主存当中。

　　那么，java语言本身对原子性、可见性以及有序性提供了哪些保证呢？

二.并发编程中的三个概念

1.原子性

在java中，对基本数据类型的变量的读取和赋值是原子性操作，即这些操作是不可被中断的，要么执行，要么不执行。

例子：

x=10; //1

y=x;//2

x++;//3

x = x+1;//4

　　乍一看，有些同学可能会说上面的4个语句中的操作都是原子操作。其实只有语句1是原子操作，其他三个都不是原子性操作。

  • 语句1是直接将数值10赋值给x,也 就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。
  • 语句2世纪上包含2个操作，它先要去读取x的值，再讲x的值写入工作内存，虽然读取x的值以及将x的值写入工作内存这个两个操作都是原子性的，但合起来就不是原子性操作了。
  • 同样的，x++和x=x+1包括3个操作：读取x的值，进行加1操作，写入新的值。

　　所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。也就是说，只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。不过这里有一点需要注意：在32位平台下，对64位数据的读取和赋值是需要通过两个操作来完成的，不能保证其原子性。但是好像在最新的JDK中，JVM已经保证对64位数据的读取和赋值也是原子性操作了。

　　从上面可以看出，Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作，如果要实现更大范围操作的原子性，可以通过synchronized和Lock来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块，那么自然就不存在原子性问题了，从而保证了原子性。

2.可见性

对于可见性，java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即更新到主存，当有其他线程读取时，它会去内存中读取新值。

而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

另外，通过synchronized和Lock也能够保证可见性，synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码，并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。

3.有序性

在java内存模型中，允许编译器和处理器对指令进行重新排序，但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行，却会影响到多线程并发执行的正确性。

在java里，可以通过volatile关键字来保证一定的有序性。另外可以通过synchronized和locl来保证有序性。

另外，java内存模型具备一些先天的“有序性”,即不需要通过任何手段就能够保证的有序性，这个通常也成为happens-before原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来，那么她们就不能保证有序性，虚拟机可以随意地对她们进行重新排序。

下面具体介绍happens-befoe原则（先行发生原则）：

  • 程序次序规则：一个线程内，按照代码顺序，书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
  • 锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁lock操作。
  • volatile变量规则：对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作。
  • 传递规则：如果操作a线程发生于操作b，而操作b又先行发生于操作c，则可以得出操作a先行发生于操作c。
  • 线程启动规则：Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每一个操作。
  • 线程中断规则：对于线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。
  • 线程终结规则：线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测，我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
  • 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始
  • 这8条原则摘自《深入理解java虚拟机》。前4条规则是比较重要，后4条显而易见。

下面我们来解释一下前4条规则：

　　对于程序次序规则来说，我的理解就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意，虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”，这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的，因为虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序，但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的，它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此，在单个线程中，程序执行看起来是有序执行的，这一点要注意理解。事实上，这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性，但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

　　第二条规则也比较容易理解，也就是说无论在单线程中还是多线程中，同一个锁如果出于被锁定的状态，那么必须先对锁进行了释放操作，后面才能继续进行lock操作。

　　第三条规则是一条比较重要的规则，也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是，如果一个线程先去写一个变量，然后一个线程去进行读取，那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

　　第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

volatile关键字的两层语义

  • 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。
  • 禁止进行指令重排序
//线程1

boolean stop = false;

while(!stop){

    doSomething();

}

//线程2

stop = 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会采用这种标记办法。但事实上，这段代码会完全运行正确吗？即一定会将线程中断吗？不一定，也许在大多时候，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。（亲自测验，如果不设计stop的读取，则一直循环）

　　

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：

  • 使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存。
  • 使用volatile关键字后，当线程2进行修改时，会导致线程1的工作内存中缓存比阿娘stop的缓存行无效（反映到硬件层是cpu的L1或L2等缓存中对应的缓存行无效）；
  • 由于线程1的工作缓存变量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。

volatile不能保证原子性

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()>2)  //保证前面的线程都执行完

            Thread.yield();

        System.out.println(test.inc);

    }

}

　　上述代码的结果是一个不确定的值。

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。

博文看到这里有个疑问，缓存写到主存会引起其他缓存中的地址失效，那么线程2写入inc=11的时候，线程1中的inc的值就无效，这里究竟发生了什么？所以这里的问题暂时先这样理解：volatile只会在读取的时候去读取新的值，如果这一轮的计算已经读取了，然后这个值尽管是错误了，但这次操作并不会重新读取，这次操作的仍旧是错误的值。

采用synchronized和Lock以及使用AtomicInteger都可以保证自增的原子性。

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。

volatile能保证一定的有序性

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

  • 当程序执行到volatile变量的读操作或写操作，在其前面的操作的更改肯定全部已经执行，且结果已经对后面的操作可见，其后面的操作肯定还没进行；
  • 在进行指令优化时，不能将volatile变量访问的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后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1

y = 0;        //语句2

flag = true;  //语句3

x = 4;         //语句4

y = -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。

//线程1:

context = loadContext();   //语句1

inited = 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。

　volatile的应用场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized，但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的，因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说，使用volatile必须具备以下2个条件：

  1. 对变量的写操作不依赖于当前值
  2. 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

实际上，这些条件表明，可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态，包括变量的当前状态。

　　事实上，我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作，才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

　　下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

1.状态标记量

volatile boolean flag = false;

while(!flag){

    doSomething();

}

public void setFlag() {

    flag = true;

}

　　2.规定执行前后顺序

volatile boolean inited = false;

//线程1:

context = loadContext();

inited = true;            

//线程2:

while(!inited ){

sleep()

}

doSomethingwithconfig(context);

　　3.double check

class Singleton{

    private volatile static Singleton instance = null;

    private Singleton() {

    }

    public static Singleton getInstance() {

        if(instance==null) {

            synchronized (Singleton.class) {

                if(instance==null)

                    instance = new Singleton();

            }

        }

        return instance;

    }

}

　　

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