Java并發(fā)編程:從根源上解析volatile關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)
Java并發(fā)編程：volatile關(guān)鍵字解析
1、解析概覽
- 內(nèi)存模型的相關(guān)概念
- 并發(fā)編程中的三個(gè)概念
- Java內(nèi)存模型
- 深入剖析volatile關(guān)鍵字
- 使用volatile關(guān)鍵字的場景
2、內(nèi)存模型的相關(guān)概念
緩存一致性問題。通常稱這種被多個(gè)線程訪問的變量為共享變量。
也就是說，如果一個(gè)變量在多個(gè)CPU中都存在緩存(一般在多線程編程時(shí)才會(huì)出現(xiàn))，那么就可能存在緩存不一致的問題。
為了解決緩存不一致性問題，通常來說有以下2種解決方法：
- 通過在總線加LOCK#鎖的方式
- 通過緩存一致性協(xié)議
這2種方式都是硬件層面上提供的方式。
上面的方式1會(huì)有一個(gè)問題，由于在鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內(nèi)存，導(dǎo)致效率低下。
緩存一致性協(xié)議。最出名的就是Intel 的MESI協(xié)議，MESI協(xié)議保證了每個(gè)緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當(dāng)CPU寫數(shù)據(jù)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會(huì)發(fā)出信號通知其他CPU將該變量的緩存行置為無效狀態(tài)，因此當(dāng)其他CPU需要讀取這個(gè)變量時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那么它就會(huì)從內(nèi)存重新讀取。
3、并發(fā)編程中的三個(gè)概念
在并發(fā)編程中，我們通常會(huì)遇到以下三個(gè)問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題。
3.1 原子性
原子性：即一個(gè)操作或者多個(gè)操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會(huì)被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行。
3.2 可見性
可見性是指當(dāng)多個(gè)線程訪問同一個(gè)變量時(shí)，一個(gè)線程修改了這個(gè)變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
3.3 有序性
有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行。
從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執(zhí)行這段代碼的時(shí)候會(huì)保證語句1一定會(huì)在語句2前面執(zhí)行嗎?不一定，為什么呢?這里可能會(huì)發(fā)生指令重排序(Instruction Reorder)。
下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運(yùn)行效率，可能會(huì)對輸入代碼進(jìn)行優(yōu)化，它不保證程序中各個(gè)語句的執(zhí)行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會(huì)保證程序最終執(zhí)行結(jié)果和代碼順序執(zhí)行的結(jié)果是一致的。
指令重排序不會(huì)影響單個(gè)線程的執(zhí)行，但是會(huì)影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。
- 也就是說，要想并發(fā)程序正確地執(zhí)行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個(gè)沒有被保證，就有可能會(huì)導(dǎo)致程序運(yùn)行不正確。
4、Java內(nèi)存模型
在Java虛擬機(jī)規(guī)范中試圖定義一種Java內(nèi)存模型(Java Memory Model，JMM)來屏蔽各個(gè)硬件平臺和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實(shí)現(xiàn)讓Java程序在各種平臺下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果。那么Java內(nèi)存模型規(guī)定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問規(guī)則，往大一點(diǎn)說是定義了程序執(zhí)行的次序。注意，為了獲得較好的執(zhí)行性能，Java內(nèi)存模型并沒有限制執(zhí)行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執(zhí)行速度，也沒有限制編譯器對指令進(jìn)行重排序。也就是說，在java內(nèi)存模型中，也會(huì)存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。
Java內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都是存在主存當(dāng)中(類似于前面說的物理內(nèi)存)，每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存(類似于前面的高速緩存)。線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接對主存進(jìn)行操作。并且每個(gè)線程不能訪問其他線程的工作內(nèi)存。
4.1 原子性
在Java中，對基本數(shù)據(jù)類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執(zhí)行，要么不執(zhí)行。
請分析以下哪些操作是原子性操作：
- x = 10; //語句1
- y = x; //語句2
- x++; //語句3
- x = x + 1; //語句4
其實(shí)只有語句1是原子性操作，其他三個(gè)語句都不是原子性操作。
也就是說，只有簡單的讀取、賦值(而且必須是將數(shù)字賦值給某個(gè)變量，變量之間的相互賦值不是原子操作)才是原子操作。
從上面可以看出，Java內(nèi)存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實(shí)現(xiàn)更大范圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實(shí)現(xiàn)。
4.2 可見性
對于可見性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性。
當(dāng)一個(gè)共享變量被volatile修飾時(shí)，它會(huì)保證修改的值會(huì)立即被更新到主存，當(dāng)有其他線程需要讀取時(shí)，它會(huì)去內(nèi)存中讀取新值。
而普通的共享變量不能保證可見性，因?yàn)槠胀ü蚕碜兞勘恍薷闹螅裁磿r(shí)候被寫入主存是不確定的，當(dāng)其他線程去讀取時(shí)，此時(shí)內(nèi)存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。
另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時(shí)刻只有一個(gè)線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼，并且在釋放鎖之前會(huì)將對變量的修改刷新到主存當(dāng)中。因此可以保證可見性。
4.3 有序性
在Java內(nèi)存模型中，允許編譯器和處理器對指令進(jìn)行重排序，但是重排序過程不會(huì)影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會(huì)影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。
在Java里面，可以通過volatile關(guān)鍵字來保證一定的“有序性”(它能禁止進(jìn)行指令重排序)。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個(gè)時(shí)刻是有一個(gè)線程執(zhí)行同步代碼，相當(dāng)于是讓線程順序執(zhí)行同步代碼，自然就保證了有序性。
另外，Java內(nèi)存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個(gè)通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個(gè)操作的執(zhí)行次序無法從happens-before原則推導(dǎo)出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機(jī)可以隨意地對它們進(jìn)行重排序。
下面就來具體介紹下happens-before原則(先行發(fā)生原則)：
- 程序次序規(guī)則：一個(gè)線程內(nèi)，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作
- 鎖定規(guī)則：一個(gè)unLock操作先行發(fā)生于后面對同一個(gè)鎖額lock操作
- volatile變量規(guī)則：對一個(gè)變量的寫操作先行發(fā)生于后面對這個(gè)變量的讀操作
- 傳遞規(guī)則：如果操作A先行發(fā)生于操作B，而操作B又先行發(fā)生于操作C，則可以得出操作A先行發(fā)生于操作C
- 線程啟動(dòng)規(guī)則：Thread對象的start()方法先行發(fā)生于此線程的每個(gè)一個(gè)動(dòng)作
- 線程中斷規(guī)則：對線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發(fā)生
- 線程終結(jié)規(guī)則：線程中所有的操作都先行發(fā)生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結(jié)束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經(jīng)終止執(zhí)行
- 對象終結(jié)規(guī)則：一個(gè)對象的初始化完成先行發(fā)生于他的finalize()方法的開始
這8條規(guī)則中，前4條規(guī)則是比較重要的，后4條規(guī)則都是顯而易見的。
下面我們來解釋一下前4條規(guī)則：
- 對于程序次序規(guī)則來說，我的理解就是一段程序代碼的執(zhí)行在單個(gè)線程中看起來是有序的。注意，雖然這條規(guī)則中提到“書寫在前面的操作先行發(fā)生于書寫在后面的操作”，這個(gè)應(yīng)該是程序看起來執(zhí)行的順序是按照代碼順序執(zhí)行的，因?yàn)樘摂M機(jī)可能會(huì)對程序代碼進(jìn)行指令重排序。雖然進(jìn)行重排序，但是最終執(zhí)行的結(jié)果是與程序順序執(zhí)行的結(jié)果一致的，它只會(huì)對不存在數(shù)據(jù)依賴性的指令進(jìn)行重排序。因此，在單個(gè)線程中，程序執(zhí)行看起來是有序執(zhí)行的，這一點(diǎn)要注意理解。事實(shí)上，這個(gè)規(guī)則是用來保證程序在單線程中執(zhí)行結(jié)果的正確性，但無法保證程序在多線程中執(zhí)行的正確性。
- 第二條規(guī)則也比較容易理解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個(gè)鎖如果出于被鎖定的狀態(tài)，那么必須先對鎖進(jìn)行了釋放操作，后面才能繼續(xù)進(jìn)行l(wèi)ock操作。
- 第三條規(guī)則是一條比較重要的規(guī)則，也是后文將要重點(diǎn)講述的內(nèi)容。直觀地解釋就是，如果一個(gè)線程先去寫一個(gè)變量，然后一個(gè)線程去進(jìn)行讀取，那么寫入操作肯定會(huì)先行發(fā)生于讀操作。
- 第四條規(guī)則實(shí)際上就是體現(xiàn)happens-before原則具備傳遞性。
5、深入剖析volatile關(guān)鍵字
5.1 Volatile關(guān)鍵字的兩層語義
一旦一個(gè)共享變量(類的成員變量、類的靜態(tài)成員變量)被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：
- 保證了不同線程對這個(gè)變量進(jìn)行操作時(shí)的可見性，即一個(gè)線程修改了某個(gè)變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
- 禁止進(jìn)行指令重排序。
關(guān)于可見性，先看一段代碼，假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：
- //線程1
- boolean stop = false;
- while(!stop){
- doSomething();
- }
- //線程2
- stop = true;
這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時(shí)可能都會(huì)采用這種標(biāo)記辦法。但是事實(shí)上，這段代碼會(huì)完全運(yùn)行正確么?即一定會(huì)將線程中斷么?不一定，也許在大多數(shù)時(shí)候，這個(gè)代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會(huì)導(dǎo)致無法中斷線程(雖然這個(gè)可能性很小，但是只要一旦發(fā)生這種情況就會(huì)造成死循環(huán)了)。
下面解釋一下這段代碼為何有可能導(dǎo)致無法中斷線程。在前面已經(jīng)解釋過，每個(gè)線程在運(yùn)行過程中都有自己的工作內(nèi)存，那么線程1在運(yùn)行的時(shí)候，會(huì)將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內(nèi)存當(dāng)中。
那么當(dāng)線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當(dāng)中，線程2轉(zhuǎn)去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會(huì)一直循環(huán)下去。
但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：
- ***：使用volatile關(guān)鍵字會(huì)強(qiáng)制將修改的值立即寫入主存;
- 第二：使用volatile關(guān)鍵字的話，當(dāng)線程2進(jìn)行修改時(shí)，會(huì)導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效(反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應(yīng)的緩存行無效);
- 第三：由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時(shí)會(huì)去主存讀取。
那么在線程2修改stop值時(shí)(當(dāng)然這里包括2個(gè)操作，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存)，會(huì)使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時(shí)，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效，它會(huì)等待緩存行對應(yīng)的主存地址被更新之后，然后去對應(yīng)的主存讀取***的值。
那么線程1讀取到的就是***的正確的值。
5.2 volatile保證原子性嗎?
volatile不保證原子性，下面看一個(gè)實(shí)例。
- 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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
- Thread.yield();
- System.out.println(test.inc);
- }
- }
大家想一下這段程序的輸出結(jié)果是多少?也許有些朋友認(rèn)為是10000。但是事實(shí)上運(yùn)行它會(huì)發(fā)現(xiàn)每次運(yùn)行結(jié)果都不一致，都是一個(gè)小于10000的數(shù)字。
這里面就有一個(gè)誤區(qū)了，volatile關(guān)鍵字能保證可見性沒有錯(cuò)，但是上面的程序錯(cuò)在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是***的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。
在前面已經(jīng)提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進(jìn)行加1操作、寫入工作內(nèi)存。那么就是說自增操作的三個(gè)子操作可能會(huì)分割開執(zhí)行，就有可能導(dǎo)致下面這種情況出現(xiàn)：
假如某個(gè)時(shí)刻變量inc的值為10。
線程1對變量進(jìn)行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了;
然后線程2對變量進(jìn)行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進(jìn)行讀取操作，而沒有對變量進(jìn)行修改操作，所以不會(huì)導(dǎo)致線程2的工作內(nèi)存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會(huì)直接去主存讀取inc的值，發(fā)現(xiàn)inc的值時(shí)10，然后進(jìn)行加1操作，并把11寫入工作內(nèi)存，***寫入主存。
然后線程1接著進(jìn)行加1操作，由于已經(jīng)讀取了inc的值，注意此時(shí)在線程1的工作內(nèi)存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進(jìn)行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內(nèi)存，***寫入主存。
那么兩個(gè)線程分別進(jìn)行了一次自增操作后，inc只增加了1。
解釋到這里，可能有朋友會(huì)有疑問，不對啊，前面不是保證一個(gè)變量在修改volatile變量時(shí)，會(huì)讓緩存行無效嗎?然后其他線程去讀就會(huì)讀到新的值，對，這個(gè)沒錯(cuò)。這個(gè)就是上面的happens-before規(guī)則中的volatile變量規(guī)則，但是要注意，線程1對變量進(jìn)行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進(jìn)行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內(nèi)存中讀取的，但是線程1沒有進(jìn)行修改，所以線程2根本就不會(huì)看到修改的值。
根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。
把上面的代碼改成以下任何一種都可以達(dá)到效果：
采用synchronized：
- public class Test {
- public int inc = 0;
- public synchronized 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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
- Thread.yield();
- System.out.println(test.inc);
- }
- }
采用Lock：
- public class Test {
- public int inc = 0;
- Lock lock = new ReentrantLock();
- public void increase() {
- lock.lock();
- try {
- inc++;
- } finally{
- lock.unlock();
- }
- }
- 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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
- Thread.yield();
- System.out.println(test.inc);
- }
- }
采用AtomicInteger：
- public class Test {
- public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
- public void increase() {
- inc.getAndIncrement();
- }
- 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) //保證前面的線程都執(zhí)行完
- Thread.yield();
- System.out.println(test.inc);
- }
- }
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本數(shù)據(jù)類型的 自增(加1操作)，自減(減1操作)、以及加法操作(加一個(gè)數(shù))，減法操作(減一個(gè)數(shù))進(jìn)行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實(shí)現(xiàn)原子性操作的(Compare And Swap)，CAS實(shí)際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的，而處理器執(zhí)行CMPXCHG指令是一個(gè)原子性操作。
5.3 volatile能保證有序性嗎?
volatile能在一定程度上保證有序性。
volatile關(guān)鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1)當(dāng)程序執(zhí)行到volatile變量的讀操作或者寫操作時(shí)，在其前面的操作的更改肯定全部已經(jīng)進(jìn)行，且結(jié)果已經(jīng)對后面的操作可見;在其后面的操作肯定還沒有進(jìn)行;
2)在進(jìn)行指令優(yōu)化時(shí)，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執(zhí)行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執(zhí)行。
舉個(gè)例子：
- //x、y為非volatile變量
- //flag為volatile變量
- x = 2; //語句1
- y = 0; //語句2
- flag = true; //語句3
- x = 4; //語句4
- y = -1; //語句5
由于flag變量為volatile變量，那么在進(jìn)行指令重排序的過程的時(shí)候，不會(huì)將語句3放到語句1、語句2前面，也不會(huì)講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。
并且volatile關(guān)鍵字能保證，執(zhí)行到語句3時(shí)，語句1和語句2必定是執(zhí)行完畢了的，且語句1和語句2的執(zhí)行結(jié)果對語句3、語句4、語句5是可見的。
5.4 volatile的原理和實(shí)現(xiàn)機(jī)制
這里探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。
下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機(jī)》：
“觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒有加入volatile關(guān)鍵字時(shí)所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關(guān)鍵字時(shí)，會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令”
lock前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障(也成內(nèi)存柵欄)，內(nèi)存屏障會(huì)提供3個(gè)功能：
- 它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面;即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成;
- 它會(huì)強(qiáng)制將對緩存的修改操作立即寫入主存;
- 如果是寫操作，它會(huì)導(dǎo)致其他CPU中對應(yīng)的緩存行無效。
6、使用volatile關(guān)鍵字的場景
synchronized關(guān)鍵字是防止多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行一段代碼，那么就會(huì)很影響程序執(zhí)行效率，而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，但是要注意volatile關(guān)鍵字是無法替代synchronized關(guān)鍵字的，因?yàn)関olatile關(guān)鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個(gè)條件：
- 對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值(比如++操作，上面有例子)
- 該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
實(shí)際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨(dú)立于任何程序的狀態(tài)，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)。
事實(shí)上，我的理解就是上面的2個(gè)條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關(guān)鍵字的程序在并發(fā)時(shí)能夠正確執(zhí)行。
下面列舉幾個(gè)Java中使用volatile的幾個(gè)場景。
狀態(tài)標(biāo)記量
- volatile boolean flag = false;
- while(!flag){
- doSomething();
- }
- public void setFlag() {
- flag = true;
- }
- volatile boolean inited = false;
- //線程1:
- context = loadContext();
- inited = true;
- //線程2:
- while(!inited ){
- sleep()
- }
- doSomethingwithconfig(context);
double check
- class Singleton{
- private volatile static Singleton instance = null;
- private Singleton() {
- }
- public static Singleton getInstance() {
- if(instance==null) {
- synchronized (Singleton.class) {
- if(instance==null)
- instance = new Singleton();
- }
- }
- return instance;
- }
- }
至于為何需要這么寫請參考：
《Java 中的雙重檢查(Double-Check)》
http://blog.csdn.net/dl88250/article/details/5439024 和 http://www.iteye.com/topic/652440
