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java并发之volatile关键字

开发技术 开发技术 2周前 (06-23) 18次浏览

Java面试中经常会涉及关于volatile的问题。本文梳理下volatile关键知识点。

volatile字意为“易失性”,在Java中用做修饰对象变量。它不是Java特有,在C,C++,C#等编程语言也存在,只是在其它编程语言中使用有所差异,但总体语义一致。比如使用volatile 能阻止编译器对变量的读写优化。简单说,如果一个变量被修饰为volatile,相当于告诉系统说我容易变化,编译器你不要随便优化(重排序,缓存)我。

Happens-before

规范上,Java内存模型遵行happens-before

volatile变量在多线程中,写线程和读线程具有happens-before关系。也就是写值的线程要在读取线程之前,并且读线程能完全看见写线程的相关变量。

happens-before:如果两个有两个动作AB,A发生在B之前,那么A的顺序应该在B前面并且A的操作对B完全可见。

happens-before 具有传递性,如果A发生在B之前,而B发生在C之前,那么A发生在C之前。

如何保证可见性

多线程环境下counter变量的更新过程。线程1先从主存拷贝副本到CPU缓存,然后CPU执行counter=7,修改完后写入CPU缓存,等待时机同步到主存。在线程1同步主存前,线程2读到counter值依然为0。此时已经发生内存一致性错误(对于相同的共享数据,多线程读到视图不一致)。因为线程2看不见线程1操作结果,也将这个问题称为可见性问题

public class SharedObject {
    public int counter = 0;
}

因为多了缓存优化导致,导致可见性问题。所以volatile通过消除缓存(描述可能不太准确)来避免。例如当使用volatile修饰变量后,操作该变量读写直接与主存交互,跳过缓存层,保证其它读线程每次获取的都是最新值。

    public volatile int counter = 0;

java并发之volatile关键字

volatile 不单只消除修饰的变量的缓存。事实上与之相关的变量在读写时也会消除缓存,如同使用了volatile一样。

如下 years,months,days 三个变量中只有days是volatile,但是对years,months读写操作也和days时也会跳过缓存,其它线程每次读到的都是最新值。

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;
    public int totalDays() {
        int total = this.days;
        total += months * 30;
        total += years * 365;
        return total;
    }
    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

这是为什么?我们分析一下。

一个写线程调用 update,读线程调用totalDays。单线程中,对于update方法,wa与wb存在happens-before关系, wawb 之前执行并对wb可见。

多线程中rc与wb存在happens-before关系,wbrc之前执行并对rc可见。根据 happens-before传递性,wa需要在rc前先执行并对rc可见。

因为wb是volatile变量,所以rc获取的years,months也是最新值。

java并发之volatile关键字

我们知道出于性能原因,JVM和CPU会对程序中的指令进行重新排序。如果update方法里面wawb顺序被重排,那它们的happens-before关系将不在成立。

java并发之volatile关键字

为了避免这个问题,volatile对重排序做了保证 对于发生在volatile变量操作前的其他变量的操作不能重新排序

由此我们得到volatile通过消除缓存防止重排保证线程的可见性。

volatile保证线程安全?

讨论线程安全,大家都会提及原子性顺序性可见性。volatile侧重于保证可见性,也就是当写的线程更新后,读线程总能获得最新值。在只有一个线程写,多个线程读的场景下,volatile能满足线程安全。可如果多个线程同时写入volatile变量时,则需要引入同步语义才能保证线程安全。

模拟10个线程同时写入volatile变量,一个线程读counter,执行完后正确结果应该是counter=10。

    public static class WriterTask implements Runnable {
        private final ShareObject share;
        private final CountDownLatch countDownLatch;
        public WriterTask(ShareObject share, CountDownLatch countDownLatch) {
            this.share = share;
            this.countDownLatch = countDownLatch;
        }
        @Override
        public void run() {
            countDownLatch.countDown();
            share.increase();
        }
    }
    
    public class ShareObject {
        private volatile int counter;
        public void increase() {
            this.counter++;
        }
    }

执行结果出现counter=5或6 错误结果。

java并发之volatile关键字

java并发之volatile关键字

通过 synchronized,Lock或AtomicInteger 原子变量保证了结果的正确。

java并发之volatile关键字

完整demo https://gist.github.com/onlythinking/ba7ca7aa5faf00a58f4cedae474fa6f6

volatile性能

volatile变量带来可见性的保证,访问volatile变量还防止了指令重排序。不过这一切是以牺牲优化(消除缓存,直接操作主存开销增加)为代价,所以不应该滥用volatile,仅在确实需要增强变量可见性的时候使用。

总结

本文记录了volatile变量通过消除缓存,防止指令重排序来保证线程可见性,并且在多线程写入的变量的场景下,不保证线程安全。

欢迎大家留言交流,一起学习分享!!!


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