Java并發(fā)編程中如何進(jìn)行從根源上解析volatile關(guān)鍵字的實現(xiàn)

今天就跟大家聊聊有關(guān)Java并發(fā)編程中如何進(jìn)行從根源上解析volatile關(guān)鍵字的實現(xiàn)，可能很多人都不太了解，為了讓大家更加了解，小編給大家總結(jié)了以下內(nèi)容，希望大家根據(jù)這篇文章可以有所收獲。

1、解析概覽

1. 內(nèi)存模型的相關(guān)概念

2. 并發(fā)編程中的三個概念

3. Java內(nèi)存模型

4. 深入剖析volatile關(guān)鍵字

5. 使用volatile關(guān)鍵字的場景

2、內(nèi)存模型的相關(guān)概念

緩存一致性問題。通常稱這種被多個線程訪問的變量為共享變量。

也就是說，如果一個變量在多個CPU中都存在緩存(一般在多線程編程時才會出現(xiàn))，那么就可能存在緩存不一致的問題。

為了解決緩存不一致性問題，通常來說有以下2種解決方法：

1. 通過在總線加LOCK#鎖的方式

2. 通過緩存一致性協(xié)議

這2種方式都是硬件層面上提供的方式。

上面的方式1會有一個問題，由于在鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內(nèi)存，導(dǎo)致效率低下。

緩存一致性協(xié)議。最出名的就是Intel  的MESI協(xié)議，MESI協(xié)議保證了每個緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當(dāng)CPU寫數(shù)據(jù)時，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會發(fā)出信號通知其他CPU將該變量的緩存行置為無效狀態(tài)，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個變量時，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那么它就會從內(nèi)存重新讀取。

3、并發(fā)編程中的三個概念

在并發(fā)編程中，我們通常會遇到以下三個問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題。

3.1 原子性

原子性：即一個操作或者多個操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。

3.2 可見性

可見性是指當(dāng)多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。

3.3 有序性

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。

從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執(zhí)行嗎?不一定，為什么呢?這里可能會發(fā)生指令重排序(Instruction  Reorder)。

下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運行效率，可能會對輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，它不保證程序中各個語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。

指令重排序不會影響單個線程的執(zhí)行，但是會影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

• 也就是說，要想并發(fā)程序正確地執(zhí)行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導(dǎo)致程序運行不正確。

4、Java內(nèi)存模型

在Java虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型(Java Memory  Model，JMM)來屏蔽各個硬件平臺和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實現(xiàn)讓Java程序在各種平臺下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果。那么Java內(nèi)存模型規(guī)定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問規(guī)則，往大一點說是定義了程序執(zhí)行的次序。注意，為了獲得較好的執(zhí)行性能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執(zhí)行速度，也沒有限制編譯器對指令進(jìn)行重排序。也就是說，在java內(nèi)存模型中，也會存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。

Java內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都是存在主存當(dāng)中(類似于前面說的物理內(nèi)存)，每個線程都有自己的工作內(nèi)存(類似于前面的高速緩存)。線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接對主存進(jìn)行操作。并且每個線程不能訪問其他線程的工作內(nèi)存。

4.1 原子性

在Java中，對基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執(zhí)行，要么不執(zhí)行。

請分析以下哪些操作是原子性操作：

1. x = 10; //語句1

2. y = x; //語句2

3. x++; //語句3

4. x = x + 1; //語句4

其實只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。

也就是說，只有簡單的讀取、賦值(而且必須是將數(shù)字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作)才是原子操作。

從上面可以看出，Java內(nèi)存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實現(xiàn)更大范圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實現(xiàn)。

4.2 可見性

對于可見性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性。

當(dāng)一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當(dāng)有其他線程需要讀取時，它會去內(nèi)存中讀取新值。

而普通的共享變量不能保證可見性，因為普通共享變量被修改之后，什么時候被寫入主存是不確定的，當(dāng)其他線程去讀取時，此時內(nèi)存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼，并且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當(dāng)中。因此可以保證可見性。

4.3 有序性

在Java內(nèi)存模型中，允許編譯器和處理器對指令進(jìn)行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

在Java里面，可以通過volatile關(guān)鍵字來保證一定的“有序性”(它能禁止進(jìn)行指令重排序)。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執(zhí)行同步代碼，相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。

另外，Java內(nèi)存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱為 happens-before  原則。如果兩個操作的執(zhí)行次序無法從happens-before原則推導(dǎo)出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意地對它們進(jìn)行重排序。

下面就來具體介紹下happens-before原則(先行發(fā)生原則)：

1. 程序次序規(guī)則：一個線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作

2. 鎖定規(guī)則：一個unLock操作先行發(fā)生于后面對同一個鎖額lock操作

3. volatile變量規(guī)則：對一個變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個變量的讀操作

4. 傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C

5. 線程啟動規(guī)則：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個一個動作

6. 線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生

7. 線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行

8. 對象終結(jié)規(guī)則：一個對象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始

這8條規(guī)則中，前4條規(guī)則是比較重要的，后4條規(guī)則都是顯而易見的。

下面我們來解釋一下前4條規(guī)則：

1. 對于程序次序規(guī)則來說，我的理解就是一段程序代碼的執(zhí)行在單個線程中看起來是有序的。注意，雖然這條規(guī)則中提到“書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作”，這個應(yīng)該是程序看起來執(zhí)行的順序是按照代碼順序執(zhí)行的，因為虛擬機(jī)可能會對程序代碼進(jìn)行指令重排序。雖然進(jìn)行重排序，但是最終執(zhí)行的結(jié)果是與程序順序執(zhí)行的結(jié)果一致的，它只會對不存在數(shù)據(jù)依賴性的指令進(jìn)行重排序。因此，在單個線程中，程序執(zhí)行看起來是有序執(zhí)行的，這一點要注意理解。事實上，這個規(guī)則是用來保證程序在單線程中執(zhí)行結(jié)果的正確性，但無法保證程序在多線程中執(zhí)行的正確性。

2. 第二條規(guī)則也比較容易理解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個鎖如果出于被鎖定的狀態(tài)，那么必須先對鎖進(jìn)行了釋放操作，后面才能繼續(xù)進(jìn)行l(wèi)ock操作。

3. 第三條規(guī)則是一條比較重要的規(guī)則，也是后文將要重點講述的內(nèi)容。直觀地解釋就是，如果一個線程先去寫一個變量，然后一個線程去進(jìn)行讀取，那么寫入操作肯定會先行發(fā)生于讀操作。

4. 第四條規(guī)則實際上就是體現(xiàn)happens-before原則具備傳遞性。

5、深入剖析volatile關(guān)鍵字

5.1 Volatile關(guān)鍵字的兩層語義

一旦一個共享變量(類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量)被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：

1. 保證了不同線程對這個變量進(jìn)行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。

2. 禁止進(jìn)行指令重排序。

關(guān)于可見性，先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：

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

這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時可能都會采用這種標(biāo)記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確么?即一定會將線程中斷么?不一定，也許在大多數(shù)時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導(dǎo)致無法中斷線程(雖然這個可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會造成死循環(huán)了)。

下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當(dāng)中。

那么當(dāng)線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當(dāng)中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環(huán)下去。

但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：

• ***：使用volatile關(guān)鍵字會強(qiáng)制將修改的值立即寫入主存;

• 第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時，會導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效(反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應(yīng)的緩存行無效);

• 第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。

那么在線程2修改stop值時(當(dāng)然這里包括2個操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存)，會使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對應(yīng)的主存讀取***的值。

那么線程1讀取到的就是***的正確的值。

5.2 volatile保證原子性嗎?

volatile不保證原子性，下面看一個實例。

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)  //保證前面的線程都執(zhí)行完             Thread.yield();         System.out.println(test.inc);     } }

大家想一下這段程序的輸出結(jié)果是多少?也許有些朋友認(rèn)為是10000。但是事實上運行它會發(fā)現(xiàn)每次運行結(jié)果都不一致，都是一個小于10000的數(shù)字。

這里面就有一個誤區(qū)了，volatile關(guān)鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性?？梢娦灾荒鼙ＷC每次讀取的是***的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。

在前面已經(jīng)提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進(jìn)行加1操作、寫入工作內(nèi)存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執(zhí)行，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：

假如某個時刻變量inc的值為10。

線程1對變量進(jìn)行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了;

然后線程2對變量進(jìn)行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進(jìn)行讀取操作，而沒有對變量進(jìn)行修改操作，所以不會導(dǎo)致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時10，然后進(jìn)行加1操作，并把11寫入工作內(nèi)存，***寫入主存。

然后線程1接著進(jìn)行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進(jìn)行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內(nèi)存，***寫入主存。

那么兩個線程分別進(jìn)行了一次自增操作后，inc只增加了1。

解釋到這里，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎?然后其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對變量進(jìn)行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進(jìn)行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒有進(jìn)行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。

根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。

把上面的代碼改成以下任何一種都可以達(dá)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)  //保證前面的線程都執(zhí)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)  //保證前面的線程都執(zhí)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)  //保證前面的線程都執(zhí)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類，即對基本數(shù)據(jù)類型的  自增(加1操作)，自減(減1操作)、以及加法操作(加一個數(shù))，減法操作(減一個數(shù))進(jìn)行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現(xiàn)原子性操作的(Compare  And Swap)，CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個原子性操作。

5.3 volatile能保證有序性嗎?

volatile能在一定程度上保證有序性。

volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

1)當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對后面的操作可見;在其后面的操作肯定還沒有進(jìn)行;

2)在進(jìn)行指令優(yōu)化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。

舉個例子：

//x、y為非volatile變量 //flag為volatile變量   x = 2;         //語句1 y = 0;         //語句2 flag = true;   //語句3 x = 4;         //語句4 y = -1;        //語句5

由于flag變量為volatile變量，那么在進(jìn)行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。

并且volatile關(guān)鍵字能保證，執(zhí)行到語句3時，語句1和語句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語句1和語句2的執(zhí)行結(jié)果對語句3、語句4、語句5是可見的。

5.4 volatile的原理和實現(xiàn)機(jī)制

這里探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。

下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：

“觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒有加入volatile關(guān)鍵字時所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關(guān)鍵字時，會多出一個lock前綴指令”

lock前綴指令實際上相當(dāng)于一個內(nèi)存屏障(也成內(nèi)存柵欄)，內(nèi)存屏障會提供3個功能：

1. 它確保指令重排序時不會把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面;即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時，在它前面的操作已經(jīng)全部完成;

2. 它會強(qiáng)制將對緩存的修改操作立即寫入主存;

3. 如果是寫操作，它會導(dǎo)致其他CPU中對應(yīng)的緩存行無效。

6、使用volatile關(guān)鍵字的場景

synchronized關(guān)鍵字是防止多個線程同時執(zhí)行一段代碼，那么就會很影響程序執(zhí)行效率，而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，但是要注意volatile關(guān)鍵字是無法替代synchronized關(guān)鍵字的，因為volatile關(guān)鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：

1. 對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值(比如++操作，上面有例子)

2. 該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中

實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。

事實上，我的理解就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關(guān)鍵字的程序在并發(fā)時能夠正確執(zhí)行。

下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。

狀態(tài)標(biāo)記量

volatile boolean flag = false;   while(!flag){     doSomething(); }   public void setFlag() {     flag = true; } volatile boolean inited = false; //線程1: context = loadContext();   inited = true;               //線程2: while(!inited ){ sleep() } doSomethingwithconfig(context);

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;     } }

看完上述內(nèi)容，你們對Java并發(fā)編程中如何進(jìn)行從根源上解析volatile關(guān)鍵字的實現(xiàn)有進(jìn)一步的了解嗎？如果還想了解更多知識或者相關(guān)內(nèi)容，請關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝大家的支持。