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Java中 volatile的使用和理解

互联网 diligentman 1个月前 (01-31) 14次浏览

简介

Volatile 是 Java 虚拟机提供轻量级的同步机制。它有三个特性:

  • 保证可见性
  • 不保证原子性
  • 禁止指令重排

基本原理

当对非volatile变量进行读写的时候,每个线程先从主内存拷贝变量到CPU缓存中,如果计算机有多个CPU,每个线程可能在不同的CPU上被处理,这意味着每个线程可以拷贝到不同的CPU cache中。
  volatile共享变量则会在修改之后立即刷新到内存中,并使其他CPU中的变量失效,使得其他CPU使用时必须从内存中重新加载。(这就保证了可见性

Java中 volatile的使用和理解

volatile修饰的共享变量在进行写操作的时候会多出来一行汇编代码,这一行汇编代码在多核处理器下会引发两件事情:

  1. 将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。
  2. 这个写回操作会使在其他CPU里缓存了该内存地址的数据无效。

禁止指令重排

  指令重排序是JVM为了优化指令、提高程序运行效率,在不影响单线程程序执行结果的前提下,尽可能地提高并行度。指令重排序包括编译器重排序和运行时重排序
  在JDK1.5之后,可以使用volatile变量禁止指令重排序。针对volatile修饰的变量,在读写操作指令前后会插入内存屏障,指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏

Java中 volatile的使用和理解

为什么volatile不能保证原子性

首先需要了解的是,Java中只有对基本类型变量的赋值和读取是原子操作,如i = 1的赋值操作,但是像j = i或者i++这样的操作都不是原子操作,因为他们都进行了多次原子操作,比如先读取i的值,再将i的值赋值给j,两个原子操作加起来就不是原子操作了。

所以,如果一个变量被volatile修饰了,那么肯定可以保证每次读取这个变量值的时候得到的值是最新的,但是一旦需要对变量进行自增这样的非原子操作,就不会保证这个变量的原子性了。

举个栗子:

一个变量i被volatile修饰,两个线程想对这个变量修改,都对其进行自增操作也就是i++,i++的过程可以分为三步,首先获取i的值,其次对i的值进行加1,最后将得到的新值写会到缓存中。
线程A首先得到了i的初始值100,但是还没来得及修改,就阻塞了,这时线程B开始了,它也得到了i的值,由于i的值未被修改,即使是被volatile修饰,主存的变量还没变化,那么线程B得到的值也是100,之后对其进行加1操作,得到101后,将新值写入到缓存中,再刷入主存中。根据可见性的原则,这个主存的值可以被其他线程可见。
问题来了,线程A已经读取到了i的值为100,也就是说读取的这个原子操作已经结束了,所以这个可见性来的有点晚,线程A阻塞结束后,继续将100这个值加1,得到101,再将值写到缓存,最后刷入主存,所以即便是volatile具有可见性,也不能保证对它修饰的变量具有原子性。

JMM Java内存模型

JMM : Java内存模型,不存在的东西,概念!约定!

Java中 volatile的使用和理解

关于JMM的一些同步的约定:

  • 1、线程解锁前,必须把共享变量立刻刷回主存。
  • 2、线程加锁前,必须读取主存中的最新值到工作内存中!
  • 3、加锁和解锁是同一把锁

内存交互操作有8种,虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的,不可在分的(对于double和long类型的变量来说,load、store、read和write操作在某些平台上允许例外)

  • lock (锁定):作用于主内存的变量,把一个变量标识为线程独占状态
  • unlock (解锁):作用于主内存的变量,它把一个处于锁定状态的变量释放出来,释放后的变量才可以被其他线程锁定
  • read (读取):作用于主内存变量,它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中,以便随后的load动作使用
  • load (载入):作用于工作内存的变量,它把read操作从主存中变量放入工作内存中
  • use (使用):作用于工作内存中的变量,它把工作内存中的变量传输给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值,就会使用到这个指令
  • assign (赋值):作用于工作内存中的变量,它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
  • store (存储):作用于主内存中的变量,它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中,以便后续的write使用
  • write (写入):作用于主内存中的变量,它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

JMM对这八种指令的使用,制定了如下规则:

  • 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load,使用了store必须write
  • 不允许线程丢弃他最近的assign操作,即工作变量的数据改变了之后,必须告知主存
  • 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
  • 一个新的变量必须在主内存中诞生,不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前,必须经过assign和load操作
  • 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后,必须执行相同次数的unlock才能解锁
  • 如果对一个变量进行lock操作,会清空所有工作内存中此变量的值,在执行引擎使用这个变量前,必须重新load或assign操作初始化变量的值
  • 如果一个变量没有被lock,就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
  • 对一个变量进行unlock操作之前,必须把此变量同步回主内存

参考

volatile的原理


程序员灯塔
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