java并发之volatile

在Java并发编程中,volatile和synchronized都扮演者重要的角色。volatile又被成为轻量级的synchronized,它保证了共享变量的可见性。

注:何谓可见性?
通俗点儿说,可见性就是当一个线程修改一个共享变量时,其他的线程也可以读到修改后的值。

如果volatile使用得当,由于不会引起线程的上下文切换和调度,它的开销会比synchronized关键字小很多。本文将会深入分析volatile关键字实现原理,相信通过本文,大家可以更好的使用volatile关键字。

如何保证可见性

在Java内存模型(Java Memory Model,JMM)中,线程和主存之间存在这样的抽象关系:

  1. 线程之间的共享变量存放在主内存(Main Memory)中;

  2. 每个线程都有一个私有的本地内存(Local Memory),存放了当前线程共享变量的副本。

那针对被volatile修饰的变量的读/写到底是什么样子的呢?

  1. 当写一个volatile变量时,JMM会把当前线程的本地内存中的共享变量值刷新到主内存中;

  2. 当读一个volatile变量时,JMM会把当前线程的本地内存置为无效,然后从主内存中读取共享变量。

对Java内存模型有一些了解的一定对指令重排序不陌生,一个程序在运行中,编译器和处理器为了优化程序性能,会对指令序列进行重排序,那这时候就有问题了,那既然指令会被重新排序,volatile是怎么保证内存可见性呢?万一被重排了,内存可见不就会有问题了~当然咯,为了保证volatile的内存可见性,编译器在生成字节码的时候会在指令序列中插入内存屏障(Memory Barriers)来禁止特定类型的编译器和处理器重排序。一旦内存屏障被插入,就相当于告诉了编译器和处理器:不管是什么指令都不能和内存屏障进行重排序。

注:内存屏障(Memory Barriers):一组CPU指令,用于实现对内存操作的顺序限制。

我们还是以一个简单的例子来解释下:


volatile测试demo

从test()方法可以看出:

  • 如果d不是volatile变量,1/2/3三个语句是可以进行随意进行指令重排序的;

注:为什么4不能和1/2/3一起指令重排序?因为4和1/2/3存在数据依赖关系,编译器和处理器在重排序时会遵守数据依赖性,不会改变存在数据依赖关系的两个操作的执行顺序。所以4不会参与到1/2/3的重排序行列。

  • d被volatile修饰后,会在1/2后插入一个内存屏障,此时,1/2可以随意进行指令重排序,3不再参与到重排序行列。

接下来我们在x86下通过工具生成的汇编指令来看看对volatile变量进行读写操作时CPU会干什么。

instance = new Singleton(); //instance是volatile变量

汇编指令:
lock addl $0x0, (%rsp)

从汇编指令可以看出,volatile变量在写操作之前使用了lock前缀,lock前缀指令在多处理器下会引发两件事情:

  1. 将当前处理器的缓存行里的数据写回到内存。lock前缀指令的在执行期间会产生LOCK#信号,该信号会锁住总线,导致其他CPU不能访问总线。由于锁总线开销比较大,在最近的处理器中,LOCK#信号不锁总线了,而是锁缓存并回写到主存,用缓存一直性机制来确保修改的原子性(该操作又被称之为缓存锁定);

  2. 写回内存的操作会使其他CPU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。IA-32和Intel 64处理器使用嗅探技术保证各处理器缓存和系统内存的数据在总线上保持一致。如果一个处理器通过嗅探检测到其他处理器准备写内存,并且该内存地址处于共享状态,该处理器会将它的缓存行置为无效,下次再操作该内存地址时会重新把数据读到缓存行中。

使用场景

多嘴两句,volatile虽然在某些情况下性能要优于synchronized,但是由于volatile无法保证操作的原子性,所以volatile是无法替代synchronized的。

通常来说,使用volatile必须具备以下2个条件:

  • 对变量的写操作不依赖于当前值,比如++操作,volatile不能保证多线程情况下操作的正确性的;

  • 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中。

下面列举两个我们平常在工作中使用较多的场景:

  1. 状态标记
    需求描述:根据状态标记进行消息发送;
    代码示例:
public class MessageProcessor {

    private volatile boolean flag;

    public void process() {
        if (flag) {
            sendMessage();
        } else {
            recordLog();
        }
    }

    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
}

用volatile修饰flag,如果有其他线程修改过该标识,其他线程都可以拿到最新值,根据最新值各个线程可以进行相关的操作。

  1. 单例模式的double check

    单例模式的double check

    很多人在使用double check的时候都不用volatile修饰,程序也能正常运行,但是其实不使用volatile修饰是有问题的。那会有什么问题呢?
    其实会出问题的主要是instance = new Singleton();,它并不是一个原子操作,在JVM中,这行代码主要完成了这样3件事:

    a. 为对象分配内存空间;

    b. 初始化对象;

    c. 将instance对象指向分配的内存空间,执行完这一步骤,instance就不为null了。

    在指令重排序时,a-b-c的顺序可能会被重排成a-c-b,如果现在执行顺序被重排成a-c-b,在单线程情况下不会影响程序执行的结果,但是在多线程情况下就不一样了,如果线程A执行了指令c,此时instance实例还没有被初始化好,但是已经不为null了,刚好线程B执行到if (null == instance),发现instance不为空,随即返回,但是得到的却是未被完全初始化的实例,在使用的时候就会有问题。

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