volitale原理
来源:互联网 发布:淘宝卖笔记本要3c 编辑:程序博客网 时间:2024/05/21 17:39
- 计算机内存模型
- java内存模型类似于上所述
- 原子性
- 可见性
- 有序性
- 深入剖析volitale
- Volatile与可见性能保证可见性
- Volatile与原子性不能保证原子性
- Volatile与有序性
- Volatile的原理和实现机制
- 计算机内存模型
|计算机内存模型(内存–>CPU高速缓存)
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|原子性
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|可见性
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|有序性
计算机内存模型
计算机在执行程序时,每条指令都是在CPU中执行的,而执行指令过程中,势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存(物理内存)当中的,这时就存在一个问题,由于CPU执行速度很快,而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多,因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行,会大大降低指令执行的速度。因此在CPU里面就有了高速缓存。当程序在运行过程中,会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中,那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据,当运算结束之后,再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。举个简单的例子,比如下面的这段代码:
i = i+1
当线程执行这个语句时,会先从主存当中读取i的值,然后复制一份到高速缓存当中,然后 CPU 执行指令对i进行加1操作,然后将数据写入高速缓存,最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。比如同时有两个线程执行这段代码,假如初始时i的值为0,那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。但是事实会是这样吗?
可能出现这种情况:初始时,两个线程分别读取i的值存入各自所在的 CPU 的高速缓存当中,然后 线程1 进行加1操作,然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0,进行加1操作之后,i的值为1,然后线程2把i的值写入内存。最终结果i的值是1,而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。
为了解决缓存不一致性问题,通常来说有以下两种解决方法:
- 通过在总线加LOCK#锁的方式
- 通过 缓存一致性协议
这两种方式都是硬件层面上提供的方式。
- LOCK锁:由于在锁住总线期间,其他CPU无法访问内存,导致效率低下。
- 缓存一致性协议:当CPU写数据时,如果发现操作的变量是共享变量,即在其他CPU中也存在该变量的副本,会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态,因此当其他CPU需要读取这个变量时,发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的,那么它就会从内存重新读取。
java内存模型类似于上所述
Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中(类似于前面说的物理内存),每个线程都有自己的工作内存(类似于前面的高速缓存)。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。
在Java中,执行下面这个语句:
i = 10;
执行线程必须先在自己的工作线程中对变量i所在的缓存行进行赋值操作,然后再写入主存当中。而不是直接将数值10写入主存当中。那么Java语言本身对 原子性、可见性以及有序性提供了哪些保证呢?
原子性
即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断,要么就都不执行。在Java中,对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作,即这些操作是不可被中断的,要么执行,要么不执行。
看下面一个例子i:请分析以下哪些操作是原子性操作:
x = 10; //语句1y = x; //语句2x++; //语句3x = x + 1; //语句4
其实只有语句1是原子性操作,其他三个语句都不是原子性操作。
语句1
是直接将数值10赋值给x,也就是说线程执行这个语句的会直接将数值10写入到工作内存中。语句2
实际上包含2个操作,它先要去读取x的值,再将x的值写入工作内存,虽然读取x的值以及 将x的值写入工作内存 这2个操作都是原子性操作,但是合起来就不是原子性操作了。- 同样的,x++和 x = x+1包括3个操作:读取x的值,进行加1操作,写入新的值。
只有简单的读取、赋值(而且必须是将数字赋值给某个变量,变量之间的相互赋值不是原子操作)才是原子操作。
从上面可以看出,Java内存模型只保证了基本读取和赋值是原子性操作,如果要实现更大范围操作的原子性,可以通过synchronized和Lock
来实现。由于synchronized和Lock能够保证任一时刻只有一个线程执行该代码块,那么自然就不存在原子性问题了,从而保证了原子性。
可见性
可见性是指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。对于可见性,Java提供了volatile关键字来保证可见性。当一个共享变量被volatile修饰时,它会保证修改的值会立即被更新到主存,当有其他线程需要读取时,它会去内存中读取新值。而普通的共享变量不能保证可见性。
另外,通过synchronized和Lock也能够保证可见性,synchronized和Lock能保证同一时刻只有一个线程获取锁然后执行同步代码,并且在释放锁之前会将对变量的修改刷新到主存当中。因此可以保证可见性。
有序性
即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。指令重排序,一般来说,处理器为了提高程序运行效率,可能会对输入代码进行优化,它不保证程序中各个语句的执行先后顺序同代码中的顺序一致,但是它会保证程序最终执行结果和代码顺序执行的结果是一致的。深入剖析volitale
Volatile的语义
一旦一个共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量)被volatile修饰之后,那么就具备了两层语义:
保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性,即一个线程修改了某个变量的值,这新值对其他线程来说是立即可见的。
禁止进行指令重排序。
Volatile与可见性(能保证可见性)
先看一段代码,假如线程1先执行,线程2后执行:
//线程1boolean stop = false;while(!stop){ doSomething();}//线程2stop = true;
下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程1。在前面已经解释过,每个线程在运行过程中都有自己的工作内存,那么线程1在运行的时候,会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。
那么当线程2更改了stop变量的值之后,但是还没来得及写入主存当中,线程2转去做其他事情了,那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改,因此还会一直循环下去。但是用volatile修饰之后就变得不一样了:
使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;
使用volatile关键字的话,当线程2进行修改时,会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效(反映到硬件层的话,就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效);
那么线程1读取到的就是最新的正确的值。
Volatile与原子性(不能保证原子性)
下面看一个例子:
public class Test { public volatile int inc = 0; public void increase() { inc++; } public static void main(String[] args) { final Test test = new Test(); for(int i=0;i<10;i++){ new Thread(){ public void run() { for(int j=0;j<1000;j++) test.increase(); }; }.start(); } while(Thread.activeCount()>1) //保证前面的线程都执行完 Thread.yield(); System.out.println(test.inc); }}
大家想一下这段程序的输出结果是多少?也许有些朋友认为是10000。但是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致,都是一个小于10000的数字。
这里面就有一个误区了,volatile关键字能保证可见性没有错,但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值,但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。
在前面已经提到过,自增操作是不具备原子性的,它包括读取变量的原始值、进行加1操作、写入工作内存。那么就是说自增操作的三个子操作可能会分割开执行,就有可能导致下面这种情况出现:
假如某个时刻变量inc的值为10,线程1对变量进行自增操作,线程1先读取了变量inc的原始值,然后线程1被阻塞了;然后线程2对变量进行自增操作,线程2也去读取变量inc的原始值,由于线程1只是对变量inc进行读取操作,而没有对变量进行修改操作,所以不会导致线程2的工作内存中缓存变量inc的缓存行无效,所以线程2会直接去主存读取inc的值,发现inc的值时10,然后进行加1操作,并把11写入工作内存,最后写入主存。然后线程1接着进行加1操作,由于已经读取了inc的值,注意此时在线程1的工作内存中inc的值仍然为10,所以线程1对inc进行加1操作后inc的值为11,然后将11写入工作内存,最后写入主存。那么两个线程分别进行了一次自增操作后,inc只增加了1。
线程1对变量进行读取操作之后,被阻塞了的话,并没有对inc值进行修改。然后虽然volatile能保证线程2对变量inc的值读取是从内存中读取的,但是线程1没有进行修改,所以线程2根本就不会看到修改的值。
根源就在这里,自增操作不是原子性操作,而且volatile也无法保证对变量的任何操作都是原子性的。解决的方法也就是对提供原子性的自增操作即可。
在Java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作类,即对基本数据类型的 自增(加1操作),自减(减1操作)、以及加法操作(加一个数),减法操作(减一个数)进行了封装,保证这些操作是原子性操作。
Volatile与有序性
在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序,所以volatile能在一定程度上保证有序性。volatile关键字禁止指令重排序有两层意思:
当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时,在其前面的操作的更改肯定全部已经进行,且结果已经对后面的操作可见,在其后面的操作肯定还没有进行;
在进行指令优化时,不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行,也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。
//x、y为非volatile变量//flag为volatile变量x = 2; //语句1y = 0; //语句2flag = true; //语句3x = 4; //语句4y = -1; //语句5
由于flag变量为volatile变量,那么在进行指令重排序的过程的时候,不会将语句3放到语句1、语句2前面,也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。
并且volatile关键字能保证,执行到语句3时,语句1和语句2必定是执行完毕了的,且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。
Volatile的原理和实现机制
前面讲述了源于volatile关键字的一些使用,下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》(《java并发编程的艺术》):
观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现,加入volatile关键字时,会多出一个lock前缀指令lock前缀指令实际上相当于一个 内存屏障(也成内存栅栏),内存屏障会提供3个功能:
它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置,也不会把前面的指令排到内存屏障的后面;即在执行到内存屏障这句指令时,在它前面的操作已经全部完成;
它会 强制将对缓存的修改操作立即写入主存;
如果是写操作,它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。
参考链接:https://github.com/hadyang/interview/blob/master/java/volatile.md
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