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编辑于 2021-04-21 10:06
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程序员经典面试题_007:说说volatile关键字的原理吧

写在前面

最近有同学在问有没有Java语言实现的LeetCode题解答案,那必须有的哈,今天借着发帖就把这本《LeetCode题解Java版》分享给大家:
链接:https://www.yuque.com/lixiangyudaima/otw9ya/el9xgi
图片说明

一、volatile的使用

1.1 防止CPU指令重排

我们从一个最经典的例子来分析重排序问题。大家应该都很熟悉单例模式的实现,而在并发环境下的单例实现方式,我们通常可以采用双重检查加锁(DCL)的方式来实现。其源码如下:

package com.paddx.test.concurrent;

public class Singleton {
    public static volatile Singleton singleton;

    /**
     * 构造函数私有,禁止外部实例化
     */
    private Singleton() {};

    public static Singleton getInstance() {
        if (singleton == null) {
            synchronized (singleton) {
                if (singleton == null) {
                    singleton = new Singleton();
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

现在我们分析一下为什么要在变量singleton之间加上volatile关键字。要理解这个问题,先要了解对象的构造过程,实例化一个对象其实可以分为三个步骤:

(1)分配内存空间。

(2)初始化对象。

(3)将内存空间的地址赋值给对应的引用。

但是由于操作系统可以对指令进行重排序,所以上面的过程也可能会变成如下过程:

(1)分配内存空间。

(2)将内存空间的地址赋值给对应的引用。

(3)初始化对象

如果是这个流程,多线程环境下就可能将一个未初始化的对象引用暴露出来,从而导致不可预料的结果。因此,为了防止这个过程的重排序,我们需要将变量设置为volatile类型的变量。

1.2 实现可见性

可见性问题主要指一个线程修改了共享变量值,而另一个线程却看不到。引起可见性问题的主要原因是每个线程拥有自己的一个高速缓存区——线程工作内存。volatile关键字能有效的解决这个问题,我们看下下面的例子,就可以知道其作用:

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();

        }
    }
}

直观上说,这段代码的结果只可能有两种:b=3;a=3 或 b=2;a=1。不过运行上面的代码(可能时间上要长一点),你会发现除了上两种结果之外,还出现了第三种结果:

......
b=2;a=1
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
b=3;a=1
b=3;a=3
b=2;a=1
b=3;a=3
b=3;a=3
......

为什么会出现b=3;a=1这种结果呢?正常情况下,如果先执行change方法,再执行print方法,输出结果应该为b=3;a=3。相反,如果先执行的print方法,再执行change方法,结果应该是 b=2;a=1。那b=3;a=1的结果是怎么出来的?原因就是第一个线程将值a=3修改后,但是对第二个线程是不可见的,所以才出现这一结果。如果将a和b都改成volatile类型的变量再执行,则再也不会出现b=3;a=1的结果了。

1.3 保证原子性

关于原子性的问题,上面已经解释过。volatile只能保证对单次读/写的原子性。这个问题可以看下JLS中的描述:

For 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.

这段话的内容跟我前面的描述内容大致类似。因为long和double两种数据类型的操作可分为高32位和低32位两部分,因此普通的long或double类型读/写可能不是原子的。因此,鼓励大家将共享的long和double变量设置为volatile类型,这样能保证任何情况下对long和double的单次读/写操作都具有原子性。

关于volatile变量对原子性保证,有一个问题容易被误解。现在我们就通过下列程序来演示一下这个问题:

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,保证上面程序执行完成

        System.out.println(test01.i);
    }
}

图片说明

可能每个人运行的结果不相同。不过应该能看出,volatile是无法保证原子性的(否则结果应该是1000)。原因也很简单,i++其实是一个复合操作,包括三步骤:

(1)读取i的值。

(2)对i加1。

(3)将i的值写回内存。

volatile是无法保证这三个操作是具有原子性的,我们可以通过AtomicInteger或者Synchronized来保证+1操作的原子性。

二、 volatile的原理

2.1 可见性实现

在前文中已经提及过,线程本身并不直接与主内存进行数据的交互,而是通过线程的工作内存来完成相应的操作。这也是导致线程间数据不可见的本质原因。因此要实现volatile变量的可见性,直接从这方面入手即可。对volatile变量的写操作与普通变量的主要区别有两点:

(1)修改volatile变量时会强制将修改后的值刷新的主内存中。

(2)修改volatile变量后会导致其他线程工作内存中对应的变量值失效。因此,再读取该变量值的时候就需要重新从读取主内存中的值。

通过这两个操作,就可以解决volatile变量的可见性问题。

2.2 有序性实现

为了实现volatile内存语义,JMM会分别限制重排序类型。下面是JMM针对编译器制定的volatile重排序规则表:
图片说明

举例来说,第三行最后一个单元格的意思是:在程序顺序中,当第一个操作为普通变量的读或写时,如果第二个操作为volatile写,则编译器不能重排序这两个操作。

从上表我们可以看出:

  • 当第二个操作是volatile写时,不管第一个操作是什么,都不能重排序。这个规则确保volatile写之前的操作不会被编译器重排序到volatile写之后。
  • 当第一个操作是volatile读时,不管第二个操作是什么,都不能重排序。这个规则确保volatile读之后的操作不会被编译器重排序到volatile读之前。
  • 当第一个操作是volatile写,第二个操作是volatile读时,不能重排序。

为了实现volatile的内存语义,编译器在生成字节码时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。对于编译器来说,发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎不可能,为此,JMM采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM内存屏障插入策略

  • 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。
  • 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。
  • 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

上述内存屏障插入策略非常保守,但它可以保证在任意处理器平台,任意的程序中都能得到正确的volatile内存语义。

下面是保守策略下,volatile写插入内存屏障后生成的指令序列示意图:

图片说明

上图中的StoreStore屏障可以保证在volatile写之前,其前面的所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有的普通写在volatile写之前刷新到主内存。

这里比较有意思的是volatile写后面的StoreLoad屏障。这个屏障的作用是避免volatile写与后面可能有的volatile读/写操作重排序。因为编译器常常无法准确判断在一个volatile写的后面,是否需要插入一个StoreLoad屏障(比如,一个volatile写之后方法立即return)。为了保证能正确实现volatile的内存语义,JMM在这里采取了保守策略:在每个volatile写的后面或在每个volatile读的前面插入一个StoreLoad屏障。从整体执行效率的角度考虑,JMM选择了在每个volatile写的后面插入一个StoreLoad屏障。因为volatile写-读内存语义的常见使用模式是:一个写线程写volatile变量,多个读线程读同一个volatile变量。当读线程的数量大大超过写线程时,选择在volatile写之后插入StoreLoad屏障将带来可观的执行效率的提升。从这里我们可以看到JMM在实现上的一个特点:首先确保正确性,然后再去追求执行效率。

下面是在保守策略下,volatile读插入内存屏障后生成的指令序列示意图:

图片说明

上图中的LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。

(完)

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