Java中JMM和volatile關(guān)鍵字如何使用

Java中JMM和volatile關(guān)鍵字如何使用，很多新手對(duì)此不是很清楚，為了幫助大家解決這個(gè)難題，下面小編將為大家詳細(xì)講解，有這方面需求的人可以來學(xué)習(xí)下，希望你能有所收獲。

Java內(nèi)存模型

隨著計(jì)算機(jī)的CPU的飛速發(fā)展，CPU的運(yùn)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了從主內(nèi)存（運(yùn)行內(nèi)存）中讀取的數(shù)據(jù)的能力，為了解決這個(gè)問題，CPU廠商設(shè)計(jì)出了CPU內(nèi)置高速緩存區(qū)。高速緩存區(qū)的加入使得CPU在運(yùn)算的過程中直接從高速緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)，在一定程度上解決了性能的問題。但也引起了另外一個(gè)問題，在CPU多核的情況下，每個(gè)處理器都有自己的緩存區(qū)，數(shù)據(jù)如何保持一致性。為了保證多核處理器的數(shù)據(jù)一致性，引入多處理器的數(shù)據(jù)一致性的協(xié)議，這些協(xié)議包括MOSI、Synapse、Firely、DragonProtocol等。

JVM在執(zhí)行多線程任務(wù)時(shí)，共享數(shù)據(jù)保存在主內(nèi)存中，每一個(gè)線程（執(zhí)行再不同的處理器）有自己的高速緩存，線程對(duì)共享數(shù)據(jù)進(jìn)行修改的時(shí)候，首先是從主內(nèi)存拷貝到線程的高速緩存，修改之后，然后從高速緩存再拷貝到主內(nèi)存。當(dāng)有多個(gè)線程執(zhí)行這樣的操作的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)出現(xiàn)不可預(yù)期的錯(cuò)誤。

舉個(gè)例子：

i++;//操作

這個(gè)i++操作，線程首先從主內(nèi)存讀取i的值，比如i=0，然后復(fù)制到自己的高速緩存區(qū)，進(jìn)行i++操作，最后將操作后的結(jié)果從高速緩存區(qū)復(fù)制到主內(nèi)存中。如果是兩個(gè)線程通過操作i++,預(yù)期的結(jié)果是2。這時(shí)結(jié)果真的為2嗎？答案是否定的。線程1讀取主內(nèi)存的i=0,復(fù)制到自己的高速緩存區(qū)，這時(shí)線程2也讀取i=0,復(fù)制到自己的高速緩存區(qū)，進(jìn)行i++操作，怎么最終得到的結(jié)構(gòu)為1，而不是2。

為了解決緩存不一致的問題，有兩種解決方案：

• 在總線加鎖，即同時(shí)只有一個(gè)線程能執(zhí)行i++操作（包括讀取、修改等）。

• 通過緩存一致性協(xié)議

第一種方式就沒什么好說的，就是同步代碼塊或者同步方法。也就只能一個(gè)線程能進(jìn)行對(duì)共享數(shù)據(jù)的讀取和修改，其他線程處于線程阻塞狀態(tài)。
第二種方式就是緩存一致性協(xié)議，比如Intel 的MESI協(xié)議，它的核心思想就是當(dāng)某個(gè)處理器寫變量的數(shù)據(jù)，如果其他處理器也存在這個(gè)變量，會(huì)發(fā)出信號(hào)量通知該處理器高速緩存的數(shù)據(jù)設(shè)置為無效狀態(tài)。當(dāng)其他處理需要讀取該變量的時(shí)候，會(huì)讓其重新從主內(nèi)存中讀，然后再?gòu)?fù)制到高速緩存區(qū)。

編發(fā)編程的概念

并發(fā)編程的有三個(gè)概念，包括原子性、可見性、有序性。

原子性

原子性是指，操作為原子性的，要么成功，要么失敗，不存在第三種情況。比如：

String s="abc";

這個(gè)復(fù)雜操作是原子性的。再比如：

int i=0;
i++;

i=0這是一個(gè)賦值操作，這一步是原子性操作；那么i++是原子性操作嗎？當(dāng)然不是，首先它需要讀取i=0，然后需要執(zhí)行運(yùn)算，寫入i的新值1，它包含了讀取和寫入兩個(gè)步驟，所以不是原子性操作。

可見性

可見性是指共享數(shù)據(jù)的時(shí)候，一個(gè)線程修改了數(shù)據(jù)，其他線程知道數(shù)據(jù)被修改，會(huì)重新讀取最新的主存的數(shù)據(jù)。
舉個(gè)例子：

i=0;//主內(nèi)存

i++;//線程1

j=i;//線程2

線程1修改了i值，但是沒有將i值復(fù)制到主內(nèi)存中，線程2讀取i的值，并將i的值賦值給j,我們期望j=1,但是由于線程1修改了，沒有來得及復(fù)制到主內(nèi)存中，線程2讀取了i,并賦值給j，這時(shí)j的值為0。
也就是線程i值被修改，其他線程并不知道。

有序性

是指代碼執(zhí)行的有序性，因?yàn)榇a有可能發(fā)生指令重排序（Instruction Reorder）。

Java 語言提供了 volatile 和 synchronized 兩個(gè)關(guān)鍵字來線程代碼操作的有序性，volatile 是因?yàn)槠浔旧戆敖怪噶钪嘏判颉钡恼Z義，synchronized 在單線程中執(zhí)行代碼，無論指令是否重排，最終的執(zhí)行結(jié)果是一致的。

volatile詳解

volatile關(guān)鍵字作用

被volatile關(guān)鍵字修飾變量，起到了2個(gè)作用：

1.某個(gè)線程修改了被volatile關(guān)鍵字修飾變量是，根據(jù)數(shù)據(jù)一致性的協(xié)議，通過信號(hào)量，更改其他線程的高速緩存中volatile關(guān)鍵字修飾變量狀態(tài)為無效狀態(tài)，其他線程如果需要重寫讀取該變量會(huì)再次從主內(nèi)存中讀取，而不是讀取自己的高速緩存中的。

2.被volatile關(guān)鍵字修飾變量不會(huì)指令重排序。

volatile能夠保證可見性和防止指令重排

在Java并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)一書中有這樣

public class NoVisibility {
    private static boolean ready;
    private static int a;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new ReadThread().start();
        Thread.sleep(100);
        a = 32;
        ready = true;


    }

    private static class ReadThread extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while (!ready) {
                Thread.yield();
            }
            System.out.println(a);
        }
    }
}

在上述代碼中，有可能（概率非常小，但是有這種可能性）永遠(yuǎn)不會(huì)打印a的值，因?yàn)榫€程ReadThread讀取了主內(nèi)存的ready為false,主線程雖然更新了ready，但是ReadThread的高速緩存中并沒有更新。
另外：

a = 32;

ready = true;

這兩行代碼有可能發(fā)生指令重排。也就是可以打印出a的值為0。

如果在變量加上volatile關(guān)鍵字，可以防止上述兩種不正常的情況的發(fā)生。

volatile不能保證原子性

首先用一段代碼測(cè)試下，開起了10個(gè)線程，這10個(gè)線程共享一個(gè)變量inc（被volatile修飾），并在每個(gè)線程循環(huán)1000次對(duì)inc進(jìn)行inc++操作。我們預(yù)期的結(jié)果是10000.

public class VolatileTest {

    public volatile int inc = 0;

    public void increase() {
        inc++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final VolatileTest test = new VolatileTest();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++)
                    test.increase();
            }).start();
        }
        //保證前面的線程都執(zhí)行完
        Thread.sleep(3000);
        System.out.println(test.inc);
    }

}

多次運(yùn)行main函數(shù)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果永遠(yuǎn)都不會(huì)為10000，都是小于10000?？赡苡羞@樣的疑問，volatile保證了共享數(shù)據(jù)的可見性，線程1修改了inc變量線程2會(huì)重新從主內(nèi)存中重新讀，這樣就能保證inc++的正確性了啊，可為什么沒有得到我們預(yù)期的結(jié)果呢？

在之前已經(jīng)講述過inc++這樣的操作不是一個(gè)原子性操作，它分為讀、加加、寫。一種情況，當(dāng)線程1讀取了inc的值，還沒有修改，線程2也讀取了，線程1修改完了，通知線程2將線程的緩存的 inc的值無效需要重讀，可這時(shí)它不需要讀取inc ，它仍執(zhí)行寫操作，然后賦值給主線程，這時(shí)數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)問題。

所以volatile不能保證原子性 。這時(shí)需要用鎖來保證,在increase方法加上synchronized，重新運(yùn)行打印的結(jié)果為10000 。

 public synchronized void increase() {
        inc++;
}

volatile的使用場(chǎng)景

狀態(tài)標(biāo)記

volatile最常見的使用場(chǎng)景是狀態(tài)標(biāo)記，如下：

private volatile boolean asheep ;

//線程1

while(!asleep){
    countSheep();
}

//線程2
asheep=true;

防止指令重排

volatile boolean inited = false;
//線程1:
context = loadContext();  
inited = true;  
//上面兩行代碼如果不用volatile修飾，可能會(huì)發(fā)生指令重排，導(dǎo)致報(bào)錯(cuò)

//線程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

看完上述內(nèi)容是否對(duì)您有幫助呢？如果還想對(duì)相關(guān)知識(shí)有進(jìn)一步的了解或閱讀更多相關(guān)文章，請(qǐng)關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝您對(duì)億速云的支持。