•Java 并發(fā)編程：核心理論
•Java并發(fā)編程：Synchronized及其實(shí)現(xiàn)原理
•Java并發(fā)編程：Synchronized底層優(yōu)化（輕量級鎖、偏向鎖）
•Java 并發(fā)編程：線程間的協(xié)作(wait/notify/sleep/yield/join)
•Java 并發(fā)編程：volatile的使用及其原理
一、volatile的作用
在《Java并發(fā)編程：核心理論》一文中，我們已經(jīng)提到過可見性、有序性及原子性問題，通常情況下我們可以通過Synchronized關(guān)鍵字來解決這些個(gè)問題，不過如果對Synchronized原理有了解的話，應(yīng)該知道Synchronized是一個(gè)比較重量級的操作，對系統(tǒng)的性能有比較大的影響，所以，如果有其他解決方案，我們通常都避免使用Synchronized來解決問題。而volatile關(guān)鍵字就是Java中提供的另一種解決可見性和有序性問題的方案。對于原子性，需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，也是大家容易誤解的一點(diǎn)：對volatile變量的單次讀/寫操作可以保證原子性的，如long和double類型變量，但是并不能保證i++這種操作的原子性，因?yàn)楸举|(zhì)上i++是讀、寫兩次操作。
二、volatile的使用
關(guān)于volatile的使用，我們可以通過幾個(gè)例子來說明其使用方式和場景。
1、防止重排序
我們從一個(gè)最經(jīng)典的例子來分析重排序問題。大家應(yīng)該都很熟悉單例模式的實(shí)現(xiàn)，而在并發(fā)環(huán)境下的單例實(shí)現(xiàn)方式，我們通常可以采用雙重檢查加鎖（DCL）的方式來實(shí)現(xiàn)。其源碼如下：
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package com.paddx.test.concurrent;public class Singleton { public static volatile Singleton singleton; /** * 構(gòu)造函數(shù)私有，禁止外部實(shí)例化 */ private Singleton() {}; public static Singleton getInstance() { if (singleton == null) { synchronized (singleton) { if (singleton == null) { singleton = new Singleton(); } } } return singleton; }} |
現(xiàn)在我們分析一下為什么要在變量singleton之間加上volatile關(guān)鍵字。要理解這個(gè)問題，先要了解對象的構(gòu)造過程，實(shí)例化一個(gè)對象其實(shí)可以分為三個(gè)步驟：
（1）分配內(nèi)存空間。
（2）初始化對象。
（3）將內(nèi)存空間的地址賦值給對應(yīng)的引用。
但是由于操作系統(tǒng)可以對指令進(jìn)行重排序，所以上面的過程也可能會(huì)變成如下過程：
（1）分配內(nèi)存空間。
（2）將內(nèi)存空間的地址賦值給對應(yīng)的引用。
（3）初始化對象
如果是這個(gè)流程，多線程環(huán)境下就可能將一個(gè)未初始化的對象引用暴露出來，從而導(dǎo)致不可預(yù)料的結(jié)果。因此，為了防止這個(gè)過程的重排序，我們需要將變量設(shè)置為volatile類型的變量。
2、實(shí)現(xiàn)可見性
可見性問題主要指一個(gè)線程修改了共享變量值，而另一個(gè)線程卻看不到。引起可見性問題的主要原因是每個(gè)線程擁有自己的一個(gè)高速緩存區(qū)——線程工作內(nèi)存。volatile關(guān)鍵字能有效的解決這個(gè)問題，我們看下下面的例子，就可以知道其作用：
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package com.paddx.test.concurrent;public class VolatileTest { int a = 1; int b = 2; public void change(){ a = 3; b = a; } public void print(){ System.out.println("b="+b+";a="+a); } public static void main(String[] args) { while (true){ final VolatileTest test = new VolatileTest(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } test.change(); } }).start(); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } test.print(); } }).start(); } }} |
直觀上說，這段代碼的結(jié)果只可能有兩種：b=3;a=3 或 b=2;a=1。不過運(yùn)行上面的代碼（可能時(shí)間上要長一點(diǎn)），你會(huì)發(fā)現(xiàn)除了上兩種結(jié)果之外，還出現(xiàn)了第三種結(jié)果：
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...... b=2;a=1b=2;a=1b=3;a=3b=3;a=3b=3;a=1b=3;a=3b=2;a=1b=3;a=3b=3;a=3...... |
為什么會(huì)出現(xiàn)b=3;a=1這種結(jié)果呢？正常情況下，如果先執(zhí)行change方法，再執(zhí)行print方法，輸出結(jié)果應(yīng)該為b=3;a=3。相反，如果先執(zhí)行的print方法，再執(zhí)行change方法，結(jié)果應(yīng)該是 b=2;a=1。那b=3;a=1的結(jié)果是怎么出來的？原因就是第一個(gè)線程將值a=3修改后，但是對第二個(gè)線程是不可見的，所以才出現(xiàn)這一結(jié)果。如果將a和b都改成volatile類型的變量再執(zhí)行，則再也不會(huì)出現(xiàn)b=3;a=1的結(jié)果了。
3、保證原子性
關(guān)于原子性的問題，上面已經(jīng)解釋過。volatile只能保證對單次讀/寫的原子性。這個(gè)問題可以看下JLS中的描述：
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17.7 Non-Atomic Treatment of double and longFor the purposes of the Java programming language memory model, a single write to a non-volatile long or double value is treated as two separate writes: one to each 32-bit half. This can result in a situation where a thread sees the first 32 bits of a 64-bit value from one write, and the second 32 bits from another write.Writes and reads of volatile long and double values are always atomic. Writes to and reads of references are always atomic, regardless of whether they are implemented as 32-bit or 64-bit values. Some implementations may find it convenient to divide a single write action on a 64-bit long or double value into two write actions on adjacent 32-bit values. For efficiency's sake, this behavior is implementation-specific; an implementation of the Java Virtual Machine is free to perform writes to long and double values atomically or in two parts. Implementations of the Java Virtual Machine are encouraged to avoid splitting 64-bit values where possible. Programmers are encouraged to declare shared 64-bit values as volatile or synchronize their programs correctly to avoid possible complications. |
這段話的內(nèi)容跟我前面的描述內(nèi)容大致類似。因?yàn)閘ong和double兩種數(shù)據(jù)類型的操作可分為高32位和低32位兩部分，因此普通的long或double類型讀/寫可能不是原子的。因此，鼓勵(lì)大家將共享的long和double變量設(shè)置為volatile類型，這樣能保證任何情況下對long和double的單次讀/寫操作都具有原子性。
關(guān)于volatile變量對原子性保證，有一個(gè)問題容易被誤解。現(xiàn)在我們就通過下列程序來演示一下這個(gè)問題：
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package com.paddx.test.concurrent;public class VolatileTest01 { volatile int i; public void addI(){ i++; } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { final VolatileTest01 test01 = new VolatileTest01(); for (int n = 0; n < 1000; n++) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } test01.addI(); } }).start(); } Thread.sleep(10000);//等待10秒，保證上面程序執(zhí)行完成 System.out.println(test01.i); }} |
大家可能會(huì)誤認(rèn)為對變量i加上關(guān)鍵字volatile后，這段程序就是線程安全的。大家可以嘗試運(yùn)行上面的程序。下面是我本地運(yùn)行的結(jié)果：
可能每個(gè)人運(yùn)行的結(jié)果不相同。不過應(yīng)該能看出，volatile是無法保證原子性的（否則結(jié)果應(yīng)該是1000）。原因也很簡單，i++其實(shí)是一個(gè)復(fù)合操作，包括三步驟：
（1）讀取i的值。
（2）對i加1。
（3）將i的值寫回內(nèi)存。
volatile是無法保證這三個(gè)操作是具有原子性的，我們可以通過AtomicInteger或者Synchronized來保證+1操作的原子性。
注：上面幾段代碼中多處執(zhí)行了Thread.sleep()方法，目的是為了增加并發(fā)問題的產(chǎn)生幾率，無其他作用。
三、volatile的原理
通過上面的例子，我們基本應(yīng)該知道了volatile是什么以及怎么使用。現(xiàn)在我們再來看看volatile的底層是怎么實(shí)現(xiàn)的。
1、可見性實(shí)現(xiàn)：
在前文中已經(jīng)提及過，線程本身并不直接與主內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，而是通過線程的工作內(nèi)存來完成相應(yīng)的操作。這也是導(dǎo)致線程間數(shù)據(jù)不可見的本質(zhì)原因。因此要實(shí)現(xiàn)volatile變量的可見性，直接從這方面入手即可。對volatile變量的寫操作與普通變量的主要區(qū)別有兩點(diǎn)：
（1）修改volatile變量時(shí)會(huì)強(qiáng)制將修改后的值刷新的主內(nèi)存中。
（2）修改volatile變量后會(huì)導(dǎo)致其他線程工作內(nèi)存中對應(yīng)的變量值失效。因此，再讀取該變量值的時(shí)候就需要重新從讀取主內(nèi)存中的值。
通過這兩個(gè)操作，就可以解決volatile變量的可見性問題。
2、有序性實(shí)現(xiàn)：
在解釋這個(gè)問題前，我們先來了解一下Java中的happen-before規(guī)則，JSR 133中對Happen-before的定義如下：
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Two actions can be ordered by a happens-before relationship.If one action happens before another, then the first is visible to and ordered before the second. |
通俗一點(diǎn)說就是如果a happen-before b，則a所做的任何操作對b是可見的。（這一點(diǎn)大家務(wù)必記住，因?yàn)閔appen-before這個(gè)詞容易被誤解為是時(shí)間的前后）。我們再來看看JSR 133中定義了哪些happen-before規(guī)則：
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• Each action in a thread happens before every subsequent action in that thread. • An unlock on a monitor happens before every subsequent lock on that monitor. • A write to a volatile field happens before every subsequent read of that volatile. • A call to start() on a thread happens before any actions in the started thread. • All actions in a thread happen before any other thread successfully returns from a join() on that thread. • If an action a happens before an action b, and b happens before an action c, then a happens before c. |
翻譯過來為：
•同一個(gè)線程中的，前面的操作 happen-before 后續(xù)的操作。（即單線程內(nèi)按代碼順序執(zhí)行。但是，在不影響在單線程環(huán)境執(zhí)行結(jié)果的前提下，編譯器和處理器可以進(jìn)行重排序，這是合法的。換句話說，這一是規(guī)則無法保證編譯重排和指令重排）。
•監(jiān)視器上的解鎖操作 happen-before 其后續(xù)的加鎖操作。（Synchronized 規(guī)則）
•對volatile變量的寫操作 happen-before 后續(xù)的讀操作。（volatile 規(guī)則）
•線程的start() 方法 happen-before 該線程所有的后續(xù)操作。（線程啟動(dòng)規(guī)則）
•線程所有的操作 happen-before 其他線程在該線程上調(diào)用 join 返回成功后的操作。
•如果 a happen-before b，b happen-before c，則a happen-before c（傳遞性）。
這里我們主要看下第三條：volatile變量的保證有序性的規(guī)則。《Java并發(fā)編程：核心理論》一文中提到過重排序分為編譯器重排序和處理器重排序。為了實(shí)現(xiàn)volatile內(nèi)存語義，JMM會(huì)對volatile變量限制這兩種類型的重排序。下面是JMM針對volatile變量所規(guī)定的重排序規(guī)則表：
| Can Reorder | 2nd operation | |||
| 1st operation |
Normal Load Normal Store |
Volatile Load | Volatile Store | |
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Normal Load Normal Store |
No | |||
| Volatile Load | No | No | No | |
| Volatile store | No | No | ||
3、內(nèi)存屏障
為了實(shí)現(xiàn)volatile可見性和happen-befor的語義。JVM底層是通過一個(gè)叫做“內(nèi)存屏障”的東西來完成。內(nèi)存屏障，也叫做內(nèi)存柵欄，是一組處理器指令，用于實(shí)現(xiàn)對內(nèi)存操作的順序限制。下面是完成上述規(guī)則所要求的內(nèi)存屏障：
| Required barriers | 2nd operation | |||
| 1st operation | Normal Load | Normal Store | Volatile Load | Volatile Store |
| Normal Load | LoadStore | |||
| Normal Store | StoreStore | |||
| Volatile Load | LoadLoad | LoadStore | LoadLoad | LoadStore |
| Volatile Store | StoreLoad | StoreStore | ||
（1）LoadLoad 屏障
執(zhí)行順序：Load1—>Loadload—>Load2
確保Load2及后續(xù)Load指令加載數(shù)據(jù)之前能訪問到Load1加載的數(shù)據(jù)。
（2）StoreStore 屏障
執(zhí)行順序：Store1—>StoreStore—>Store2
確保Store2以及后續(xù)Store指令執(zhí)行前，Store1操作的數(shù)據(jù)對其它處理器可見。
（3）LoadStore 屏障
執(zhí)行順序： Load1—>LoadStore—>Store2
確保Store2和后續(xù)Store指令執(zhí)行前，可以訪問到Load1加載的數(shù)據(jù)。
（4）StoreLoad 屏障
執(zhí)行順序: Store1—> StoreLoad—>Load2
確保Load2和后續(xù)的Load指令讀取之前，Store1的數(shù)據(jù)對其他處理器是可見的。
最后我可以通過一個(gè)實(shí)例來說明一下JVM中是如何插入內(nèi)存屏障的：
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package com.paddx.test.concurrent;public class MemoryBarrier { int a, b; volatile int v, u; void f() { int i, j; i = a; j = b; i = v; //LoadLoad j = u; //LoadStore a = i; b = j; //StoreStore v = i; //StoreStore u = j; //StoreLoad i = u; //LoadLoad //LoadStore j = b; a = i; }} |
四、總結(jié)
總體上來說volatile的理解還是比較困難的，如果不是特別理解，也不用急，完全理解需要一個(gè)過程，在后續(xù)的文章中也還會(huì)多次看到volatile的使用場景。這里暫且對volatile的基礎(chǔ)知識(shí)和原來有一個(gè)基本的了解。總體來說，volatile是并發(fā)編程中的一種優(yōu)化，在某些場景下可以代替Synchronized。但是，volatile的不能完全取代Synchronized的位置，只有在一些特殊的場景下，才能適用volatile。總的來說，必須同時(shí)滿足下面兩個(gè)條件才能保證在并發(fā)環(huán)境的線程安全：
（1）對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值。
（2）該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中。
以上這篇Java 并發(fā)編程:volatile的使用及其原理解析就是小編分享給大家的全部內(nèi)容了，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持服務(wù)器之家。
