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volatile是一个特征修饰符(type specifier).volatile的作用是作为指令关键字,确保本条指令不会因编译器的优化而省略,且要求每次直接读值。volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变,这样,编译器就不会去假设这个变量的值了。 展开全文
volatile是一个特征修饰符(type specifier).volatile的作用是作为指令关键字,确保本条指令不会因编译器的优化而省略,且要求每次直接读值。volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变,这样,编译器就不会去假设这个变量的值了。
信息
中文名
易变型变量
属    性
类型修饰符
外文名
volatile
释    义
易变的
词    性
形容词
volatile作用
简单地说就是防止编译器对代码进行优化。比如如下程序:对外部硬件而言,上述四条语句分别表示不同的操作,会产生四种不同的动作,但是编译器却会对上述四条语句进行优化,认为只有XBYTE[2]=0x58(即忽略前三条语句,只产生一条机器代码)。如果键入volatile,则编译器会逐一地进行编译并产生相应的机器代码(产生四条代码)。
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  • 深入理解volatile关键字的作用(一)

    万次阅读 多人点赞 2018-08-19 11:16:28
    (一)计算机内存模型 大家都知道在计算机执行程序的时候每条指令都是在cpu中执行的,那么执行指令的同时势必会有读取和写入的操作,那么这样就引申出了一个问题。那么在程序运行时数据的存储是在计算机中的主存中...

     

    (一)计算机内存模型

    大家都知道在计算机执行程序的时候每条指令都是在cpu中执行的,那么执行指令的同时势必会有读取和写入的操作,那么这样就引申出了一个问题。那么在程序运行时数据的存储是在计算机中的主存中(物理内存)的而内存的读取和写入的速度与cpu的执行指令速度相比差距是很大的,这样就造成了与内存交互时程序执行效率大大降低,因此在cpu中就有了高速缓存。

     也就说计算机cpu在执行指令时将主存中的数据复制到高速缓存中,将结果运算完毕后在将运算结果刷新到主存中。废话不多说看图说话

    计算机cpu与主存交互

    那么大家也看到了计算机cpu会将运算数据复制到高速缓存中。但是这样如果在单线程是没有问题的(单核多线程也是有问题的)本次只是针对多核多线程讨论so 不废话举个栗子

    i=i+1;

    当同时有两个线程执行这段代码其实我们想得到的结果是2但是呢计算机cpu可不会按照你想的来,其实它会这样执行,假设我们现在有AB两个线程,同时读取了这段代码(假设i变量初始值为0),同时将变量复制到了高速缓存,A线程将数据执行完毕后将变量刷新到主存中i=1,而B线程也同时执行完毕将变量也刷新到主存中i=1,但是AB变量在运算时读取的都是高速缓存的,AB线程的高速缓存是互相不知道其中的值的,那么这样就引申出了缓存一致性问题。

    为了解决缓存一致性问题有两种解决办法:

    (1)通过总线加LOCK锁的方式

    (2)通过缓存一致协议

    早期的cpu中是通过在总线加锁来解决缓存不一致的,因为计算机cpu通信是通过总线来执行的,如果在总线上面加锁的话就阻塞来其他cpu对该变量的访问,如上面的代码在程序执行时总线发出lock指令,那么只有在这段代码执行完毕后其他cpu才能读取变量执行相应的指令,这样就解决了缓存一致性问题。

    但是上面的方式会有一个问题,由于在锁住总线期间,其他CPU无法访问内存,导致效率低下。

    所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议,MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是: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。

    未完待续

    参考资料:http://www.cnblogs.com/dolphin0520/

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  • 彻底理解volatile关键字

    万次阅读 2018-09-27 20:46:44
    彻底理解volatile关键字 volatile关键字是由JVM提供的最轻量级同步机制。与被滥用的synchronized不同,我们并不习惯使用它。想要正确且完全的理解它并不容易。 Java内存模型 使用volatile关键字的特性 被...

    彻底理解volatile关键字

    volatile关键字是由JVM提供的最轻量级同步机制。与被滥用的synchronized不同,我们并不习惯使用它。想要正确且完全的理解它并不容易。

    Java内存模型

    Java内存模型由Java虚拟机规范定义,用来屏蔽各个平台的硬件差异。简单来说:

    • 所有变量储存在主内存。
    • 每条线程拥有自己的工作内存,其中保存了主内存中线程使用到的变量的副本。
    • 线程不能直接读写主内存中的变量,所有操作均在工作内存中完成。

    线程,主内存,工作内存的交互关系如图。
    在这里插入图片描述

    内存间的交互操作有很多,和volatile有关的操作为:

    • read(读取):作用于主内存变量,把一个变量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操作从主内存中得到的变量值放入工作内存的变量副本中。
    • use(使用):作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量值传递给执行引擎,每当虚拟机遇到一个需要使用变量的值的字节码指令时将会执行这个操作。
    • assign(赋值):作用于工作内存的变量,它把一个从执行引擎接收到的值赋值给工作内存的变量,每当虚拟机遇到一个给变量赋值的字节码指令时执行这个操作。
    • store(存储):作用于工作内存的变量,把工作内存中的一个变量的值传送到主内存中,以便随后的write的操作。
    • write(写入):作用于主内存的变量,它把store操作从工作内存中一个变量的值传送到主内存的变量中。

    对被volatile修饰的变量进行操作时,需要满足以下规则:

    • 规则1:线程对变量执行的前一个动作是load时才能执行use,反之只有后一个动作是use时才能执行load。线程对变量的read,load,use动作关联,必须连续一起出现。-----这保证了线程每次使用变量时都需要从主存拿到最新的值,保证了其他线程修改的变量本线程能看到。
    • 规则2:线程对变量执行的前一个动作是assign时才能执行store,反之只有后一个动作是store时才能执行assign。线程对变量的assign,store,write动作关联,必须连续一起出现。-----这保证了线程每次修改变量后都会立即同步回主内存,保证了本线程修改的变量其他线程能看到。
    • 规则3:有线程T,变量V、变量W。假设动作A是T对V的use或assign动作,P是根据规则2、3与A关联的read或write动作;动作B是T对W的use或assign动作,Q是根据规则2、3与B关联的read或write动作。如果A先与B,那么P先与Q。------这保证了volatile修饰的变量不会被指令重排序优化,代码的执行顺序与程序的顺序相同。

    使用volatile关键字的特性

    1.被volatile修饰的变量保证对所有线程可见。

    由上文的规则1、2可知,volatile变量对所有线程是立即可见的,在各个线程中不存在一致性问题。那么,我们是否能得出结论:volatile变量在并发运算下是线程安全的呢?
    这确实是一个非常常见的误解,写个简单的例子:

    public class VolatileTest extends Thread{
        static volatile int increase = 0;
        static AtomicInteger aInteger=new AtomicInteger();//对照组
        static void increaseFun() {
            increase++;
            aInteger.incrementAndGet();
        }
        public void run(){
            int i=0;
            while (i < 10000) {
                increaseFun();
                i++;
            }
        }
        public static void main(String[] args) {
            VolatileTest vt = new VolatileTest();
            int THREAD_NUM = 10;
            Thread[] threads = new Thread[THREAD_NUM];
            for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
                threads[i] = new Thread(vt, "线程" + i);
                threads[i].start();
            }
            //idea中会返回主线程和守护线程,如果用Eclipse的话改为1
            while (Thread.activeCount() > 2) {
                Thread.yield();
            }
            System.out.println("volatile的值: "+increase);
            System.out.println("AtomicInteger的值: "+aInteger);
        }
    }
    
    
    

    这个程序我们跑了10个线程同时对volatile修饰的变量进行10000的自增操作(AtomicInteger实现了原子性,作为对照组),如果volatile变量是并发安全的话,运行结果应该为100000,可是多次运行后,每次的结果均小于预期值。显然上文的说法是有问题的。
    在这里插入图片描述
    volatile修饰的变量并不保值原子性,所以在上述的例子中,用volatile来保证线程安全不靠谱。我们用Javap对这段代码进行反编译,为什么不靠谱简直一目了然:
    在这里插入图片描述
    getstatic指令把increase的值拿到了操作栈的顶部,此时由于volatile的规则,该值是正确的。
    iconst_1和iadd指令在执行的时候increase的值很有可能已经被其他线程加大,此时栈顶的值过期。
    putstatic指令接着把过期的值同步回主存,导致了最终结果较小。
    volatile关键字只保证可见性,所以在以下情况中,需要使用锁来保证原子性:

    • 运算结果依赖变量的当前值,并且有不止一个线程在修改变量的值。
    • 变量需要与其他状态变量共同参与不变约束

    那么volatile的这个特性的使用场景是什么呢?

    • 模式1:状态标志
    • 模式2:独立观察(independent observation)
    • 模式3:“volatile bean” 模式
    • 模式4:开销较低的“读-写锁”策略

    具体场景请大家查看这位大神的博客

    2.禁止指令重排序优化。

    由上文的规则3可知,volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序。指令重排序是什么?简单点说就是
    jvm会把代码中没有依赖赋值的地方打乱执行顺序,由于一些规则限定,我们在单线程内观察不到打乱的现象(线程内表现为串行的语义),但是在并发程序中,从别的线程看另一个线程,操作是无序的。
    一个非常经典的指令重排序例子:

    public class SingletonTest {
        private volatile static SingletonTest instance = null;
        private SingletonTest() { }
        public static SingletonTest getInstance() {
            if(instance == null) {
                synchronized (SingletonTest.class){
                    if(instance == null) {
                        instance = new SingletonTest();  //非原子操作
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }
    

    这是单例模式中的“双重检查加锁模式”,我们看到instance用了volatile修饰,由于 instance = new SingletonTest();可分解为:

    1.memory =allocate(); //分配对象的内存空间
    2.ctorInstance(memory); //初始化对象
    3.instance =memory; //设置instance指向刚分配的内存地址

    操作2依赖1,但是操作3不依赖2,所以有可能出现1,3,2的顺序,当出现这种顺序的时候,虽然instance不为空,但是对象也有可能没有正确初始化,会出错。

    总结

    并发三特征可见性和有序性和原子性中,volatile
    通过新值立即同步到主内存和每次使用前从主内存刷新机制保证了可见性。
    通过禁止指令重排序保证了有序性。
    无法保证原子性。
    而我们知道,synchronized关键字
    通过lock和unlock操作保证了原子性,
    通过对一个变量unlock前,把变量同步回主内存中保证了可见性,
    通过一个变量在同一时刻只允许一条线程对其进行lock操作保证了有序性。
    他的“万能”也间接导致了我们对synchronized关键字的滥用,越泛用的控制,对性能的影响也越大,虽然jvm不断的对synchronized关键字进行各种各样的优化,但是我们还是要在合适的时候想起volatile关键字啊,哈哈哈哈。

    参考材料:

    1.<<深入理解Java虚拟机>> 周志明 著
    2.自制Java虚拟机(四)-对象、new、invokespecial
    3.【Java线程】volatile的适用场景

    展开全文
  • volatile详解

    千次阅读 2018-12-27 17:00:24
    volatile这个关键字可能很多朋友都听说过,或许也都用过。在Java 5之前,它是一个备受争议的关键字,因为在程序中使用它往往会导致出人意料的结果。在Java 5之后,volatile关键字才得以重获生机。  volatile关键字...

     volatile这个关键字可能很多朋友都听说过,或许也都用过。在Java 5之前,它是一个备受争议的关键字,因为在程序中使用它往往会导致出人意料的结果。在Java 5之后,volatile关键字才得以重获生机。

      volatile关键字虽然从字面上理解起来比较简单,但是要用好不是一件容易的事情。由于volatile关键字是与Java的内存模型有关的,因此在讲述volatile关键之前,我们先来了解一下与内存模型相关的概念和知识,然后分析了volatile关键字的实现原理,最后给出了几个使用volatile关键字的场景。

      以下是本文的目录大纲:

      一.内存模型的相关概念

      二.并发编程中的三个概念

      三.Java内存模型

      四..深入剖析volatile关键字

      五.使用volatile关键字的场景

      若有不正之处请多多谅解,并欢迎批评指正。

      请尊重作者劳动成果,转载请标明原文链接:

      http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html

    一.内存模型的相关概念

      大家都知道,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。

      也就是,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:

    1

    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。

      这个代码在单线程中运行是没有任何问题的,但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中,每条线程可能运行于不同的CPU中,因此每个线程运行时有自己的高速缓存(对单核CPU来说,其实也会出现这种问题,只不过是以线程调度的形式来分别执行的)。本文我们以多核CPU为例。

      比如同时有2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?

      可能存在下面一种情况: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。

      也就是说,如果一个变量在多个CPU中都存在缓存(一般在多线程编程时才会出现),那么就可能存在缓存不一致的问题。

      为了解决缓存不一致性问题,通常来说有以下2种解决方法:

      1)通过在总线加LOCK#锁的方式

      2)通过缓存一致性协议

      这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

      在早期的CPU当中,是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的,如果对总线加LOCK#锁的话,也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问(如内存),从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中 如果一个线程在执行 i = i +1,如果在执行这段代码的过程中,在总线上发出了LCOK#锁的信号,那么只有等待这段代码完全执行完毕之后,其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量,然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

      但是上面的方式会有一个问题,由于在锁住总线期间,其他CPU无法访问内存,导致效率低下。

      所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议,MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是: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。

    二.并发编程中的三个概念

      在并发编程中,我们通常会遇到以下三个问题:原子性问题,可见性问题,有序性问题。我们先看具体看一下这三个概念:

    1.原子性

      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。

      一个很经典的例子就是银行账户转账问题:

      比如从账户A向账户B转1000元,那么必然包括2个操作:从账户A减去1000元,往账户B加上1000元。

      试想一下,如果这2个操作不具备原子性,会造成什么样的后果。假如从账户A减去1000元之后,操作突然中止。然后又从B取出了500元,取出500元之后,再执行 往账户B加上1000元 的操作。这样就会导致账户A虽然减去了1000元,但是账户B没有收到这个转过来的1000元。

      所以这2个操作必须要具备原子性才能保证不出现一些意外的问题。

      同样地反映到并发编程中会出现什么结果呢?

      举个最简单的例子,大家想一下假如为一个32位的变量赋值过程不具备原子性的话,会发生什么后果?

    1

    i = 9;

       假若一个线程执行到这个语句时,我暂且假设为一个32位的变量赋值包括两个过程:为低16位赋值,为高16位赋值。

      那么就可能发生一种情况:当将低16位数值写入之后,突然被中断,而此时又有一个线程去读取i的值,那么读取到的就是错误的数据。

    2.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。

      举个简单的例子,看下面这段代码:

    //线程1执行的代码
    
    int i = 0;
    
    i = 10;
    
    
    //线程2执行的代码
    
    j = i;

    假若执行线程1的是CPU1,执行线程2的是CPU2。由上面的分析可知,当线程1执行 i =10这句时,会先把i的初始值加载到CPU1的高速缓存中,然后赋值为10,那么在CPU1的高速缓存当中i的值变为10了,却没有立即写入到主存当中。

      此时线程2执行 j = i,它会先去主存读取i的值并加载到CPU2的缓存当中,注意此时内存当中i的值还是0,那么就会使得j的值为0,而不是10.

      这就是可见性问题,线程1对变量i修改了之后,线程2没有立即看到线程1修改的值。

    3.有序性

      有序性:即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。举个简单的例子,看下面这段代码:

    int i = 0;
    boolean flag = false;i = 1;                //语句1  
    flag = true;          //语句2

          上面代码定义了一个int型变量,定义了一个boolean类型变量,然后分别对两个变量进行赋值操作。从代码顺序上看,语句1是在语句2前面的,那么JVM在真正执行这段代码的时候会保证语句1一定会在语句2前面执行吗?不一定,为什么呢?这里可能会发生指令重排序(Instruction Reorder)。

      下面解释一下什么是指令重排序,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。

      比如上面的代码中,语句1和语句2谁先执行对最终的程序结果并没有影响,那么就有可能在执行过程中,语句2先执行而语句1后执行。

      但是要注意,虽然处理器会对指令进行重排序,但是它会保证程序最终结果会和代码顺序执行结果相同,那么它靠什么保证的呢?再看下面一个例子:

    int a = 10;    //语句1
    
    int r = 2;    //语句2
    
    a = a + 3;    //语句3
    
    r = a*a;     //语句4

    这段代码有4个语句,那么可能的一个执行顺序是:

      

      

      那么可不可能是这个执行顺序呢: 语句2   语句1    语句4   语句3

      不可能,因为处理器在进行重排序时是会考虑指令之间的数据依赖性,如果一个指令Instruction 2必须用到Instruction 1的结果,那么处理器会保证Instruction 1会在Instruction 2之前执行。

      虽然重排序不会影响单个线程内程序执行的结果,但是多线程呢?下面看一个例子:

    //线程1:
    
    context = loadContext();   //语句1
    
    inited = true;             //语句2
    
    
    
    //线程2:
    
    while(!inited ){
    
      sleep()
    
    }
    
    doSomethingwithconfig(context);

       上面代码中,由于语句1和语句2没有数据依赖性,因此可能会被重排序。假如发生了重排序,在线程1执行过程中先执行语句2,而此是线程2会以为初始化工作已经完成,那么就会跳出while循环,去执行doSomethingwithconfig(context)方法,而此时context并没有被初始化,就会导致程序出错。

       从上面可以看出,指令重排序不会影响单个线程的执行,但是会影响到线程并发执行的正确性。

      也就是说,要想并发程序正确地执行,必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证,就有可能会导致程序运行不正确。

    三.Java内存模型

      在前面谈到了一些关于内存模型以及并发编程中可能会出现的一些问题。下面我们来看一下Java内存模型,研究一下Java内存模型为我们提供了哪些保证以及在java中提供了哪些方法和机制来让我们在进行多线程编程时能够保证程序执行的正确性。

      在Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型(Java Memory Model,JMM)来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异,以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。那么Java内存模型规定了哪些东西呢,它定义了程序中变量的访问规则,往大一点说是定义了程序执行的次序。注意,为了获得较好的执行性能,Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的寄存器或者高速缓存来提升指令执行速度,也没有限制编译器对指令进行重排序。也就是说,在java内存模型中,也会存在缓存一致性问题和指令重排序的问题。

      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。

      举个简单的例子: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?

    1.原子性

      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。

      上面一句话虽然看起来简单,但是理解起来并不是那么容易。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1
    
    y = x;         //语句2
    
    x++;           //语句3
    
    x = x + 1;     //语句4

    咋一看,有些朋友可能会说上面的4个语句中的操作都是原子性操作。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。

       所以上面4个语句只有语句1的操作具备原子性。

      也就是说,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。

      不过这里有一点需要注意:在32位平台下,对64位数据的读取和赋值是需要通过两个操作来完成的,不能保证其原子性。但是好像在最新的JDK中,JVM已经保证对64位数据的读取和赋值也是原子性操作了。

      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。

    2.可见性

      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,因为普通共享变量被修改之后,什么时候被写入主存是不确定的,当其他线程去读取时,此时内存中可能还是原来的旧值,因此无法保证可见性。

      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。

    3.有序性

      在Java内存模型中,允许编译器和处理器对指令进行重排序,但是重排序过程不会影响到单线程程序的执行,却会影响到多线程并发执行的正确性。

      在Java里面,可以通过volatile关键字来保证一定的“有序性”(具体原理在下一节讲述)。另外可以通过synchronized和Lock来保证有序性,很显然,synchronized和Lock保证每个时刻是有一个线程执行同步代码,相当于是让线程顺序执行同步代码,自然就保证了有序性。

      另外,Java内存模型具备一些先天的“有序性”,即不需要通过任何手段就能够得到保证的有序性,这个通常也称为 happens-before 原则。如果两个操作的执行次序无法从happens-before原则推导出来,那么它们就不能保证它们的有序性,虚拟机可以随意地对它们进行重排序。

      下面就来具体介绍下happens-before原则(先行发生原则):

    • 程序次序规则:一个线程内,按照代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作
    • 锁定规则:一个unLock操作先行发生于后面对同一个锁额lock操作
    • volatile变量规则:对一个变量的写操作先行发生于后面对这个变量的读操作
    • 传递规则:如果操作A先行发生于操作B,而操作B又先行发生于操作C,则可以得出操作A先行发生于操作C
    • 线程启动规则:Thread对象的start()方法先行发生于此线程的每个一个动作
    • 线程中断规则:对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生
    • 线程终结规则:线程中所有的操作都先行发生于线程的终止检测,我们可以通过Thread.join()方法结束、Thread.isAlive()的返回值手段检测到线程已经终止执行
    • 对象终结规则:一个对象的初始化完成先行发生于他的finalize()方法的开始

      这8条原则摘自《深入理解Java虚拟机》。

      这8条规则中,前4条规则是比较重要的,后4条规则都是显而易见的。

      下面我们来解释一下前4条规则:

      对于程序次序规则来说,我的理解就是一段程序代码的执行在单个线程中看起来是有序的。注意,虽然这条规则中提到“书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作”,这个应该是程序看起来执行的顺序是按照代码顺序执行的,因为虚拟机可能会对程序代码进行指令重排序。虽然进行重排序,但是最终执行的结果是与程序顺序执行的结果一致的,它只会对不存在数据依赖性的指令进行重排序。因此,在单个线程中,程序执行看起来是有序执行的,这一点要注意理解。事实上,这个规则是用来保证程序在单线程中执行结果的正确性,但无法保证程序在多线程中执行的正确性。

      第二条规则也比较容易理解,也就是说无论在单线程中还是多线程中,同一个锁如果出于被锁定的状态,那么必须先对锁进行了释放操作,后面才能继续进行lock操作。

      第三条规则是一条比较重要的规则,也是后文将要重点讲述的内容。直观地解释就是,如果一个线程先去写一个变量,然后一个线程去进行读取,那么写入操作肯定会先行发生于读操作。

      第四条规则实际上就是体现happens-before原则具备传递性。

    四.深入剖析volatile关键字

      在前面讲述了很多东西,其实都是为讲述volatile关键字作铺垫,那么接下来我们就进入主题。

    1.volatile关键字的两层语义

      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:

      1)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。

      2)禁止进行指令重排序。

      先看一段代码,假如线程1先执行,线程2后执行:

    //线程1
    
    boolean stop = false;
    
    while(!stop){
    
        doSomething();
    
    }
    
    
    
    //线程2
    
    stop = true;

       这段代码是很典型的一段代码,很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上,这段代码会完全运行正确么?即一定会将线程中断么?不一定,也许在大多数时候,这个代码能够把线程中断,但是也有可能会导致无法中断线程(虽然这个可能性很小,但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了)。

      下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。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:

      第一:使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;

      第二: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);

      第三:由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

      那么在线程2修改stop值时(当然这里包括2个操作,修改线程2工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,然后线程1读取时,发现自己的缓存行无效,它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后,然后去对应的主存读取最新的值。

      那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

    2.volatile保证原子性吗?

      从上面知道volatile关键字保证了操作的可见性,但是volatile能保证对变量的操作是原子性吗?

      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。

      可能有的朋友就会有疑问,不对啊,上面是对变量inc进行自增操作,由于volatile保证了可见性,那么在每个线程中对inc自增完之后,在其他线程中都能看到修改后的值啊,所以有10个线程分别进行了1000次操作,那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

      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。

      解释到这里,可能有朋友会有疑问,不对啊,前面不是保证一个变量在修改volatile变量时,会让缓存行无效吗?然后其他线程去读就会读到新的值,对,这个没错。这个就是上面的happens-before规则中的volatile变量规则,但是要注意,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。

      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。atomic是利用CAS来实现原子性操作的(Compare And Swap),CAS实际上是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的,而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操作。

    3.volatile能保证有序性吗?

      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:

      1)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;

      2)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。

      可能上面说的比较绕,举个简单的例子:

    //x、y为非volatile变量
    
    //flag为volatile变量
    
    x = 2;        //语句1
    y = 0;        //语句2
    flag = true;  //语句3
    x = 4;         //语句4
    y = -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。

      那么我们回到前面举的一个例子:

    //线程1:
    
    context = loadContext();   //语句1
    
    inited = true;             //语句2
    
    //线程2:
    
    while(!inited ){
    
      sleep()
    
    }
    doSomethingwithconfig(context);

       前面举这个例子的时候,提到有可能语句2会在语句1之前执行,那么久可能导致context还没被初始化,而线程2中就使用未初始化的context去进行操作,导致程序出错。

      这里如果用volatile关键字对inited变量进行修饰,就不会出现这种问题了,因为当执行到语句2时,必定能保证context已经初始化完毕。

    4.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》:

      “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:

      1)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;

      2)它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存;

      3)如果是写操作,它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

    五.使用volatile关键字的场景

      synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码,那么就会很影响程序执行效率,而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized,但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的,因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说,使用volatile必须具备以下2个条件:

      1)对变量的写操作不依赖于当前值

      2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

      实际上,这些条件表明,可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态,包括变量的当前状态。

      事实上,我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作,才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

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  • 详解C/C++中volatile关键字

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    一、volatile介绍

    volatile提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变,因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候,都会直接从变量地址中读取数据。如果没有volatile关键字,则编译器可能优化读取和存储,可能暂时使用寄存器中的值,如果这个变量由别的程序更新了的话,将出现不一致的现象。下面举例说明。在DSP开发中,经常需要等待某个事件的触发,所以经常会写出这样的程序:

    这段程序等待内存变量flag的值变为1(怀疑此处是0,有点疑问,)之后才运行do2()。变量flag的值由别的程序更改,这个程序可能是某个硬件中断服务程序。例如:如果某个按钮按下的话,就会对DSP产生中断,在按键中断程序中修改flag为1,这样上面的程序就能够得以继续运行。但是,编译器并不知道flag的值会被别的程序修改,因此在它进行优化的时候,可能会把flag的值先读入某个寄存器,然后等待那个寄存器变为1。如果不幸进行了这样的优化,那么while循环就变成了死循环,因为寄存器的内容不可能被中断服务程序修改。为了让程序每次都读取真正flag变量的值,就需要定义为如下形式:
    在这里插入图片描述
    需要注意的是,没有volatile也可能能正常运行,但是可能修改了编译器的优化级别之后就又不能正常运行了。因此经常会出现debug版本正常,但是release版本却不能正常的问题。所以为了安全起见,只要是等待别的程序修改某个变量的话,就加上volatile关键字。

    volatile的本意是“易变的”,由于访问寄存器的速度要快过RAM,所以编译器一般都会作减少存取外部RAM的优化。比如:

    程序的本意是希望ISR_2中断产生时,在main当中调用do_something函数,但是,由于编译器判断在main函数里面没有修改过i,因此可能只执行一次对从i到某寄存器的读操作,然后每次if判断都只使用这个寄存器里面的“i副本”,导致do_something永远也不会被调用。如果变量加上volatile修饰,则编译器保证对此变量的读写操作都不会被优化(肯定执行)。此例中i也应该如此说明。
    一般说来,volatile用在如下的几个地方:
    1、中断服务程序中修改的供其它程序检测的变量需要加volatile;
    2、多任务环境下各任务间共享的标志应该加volatile;
    3、存储器映射的硬件寄存器通常也要加volatile说明,因为每次对它的读写都可能由不同意义;
    另外,以上这几种情况经常还要同时考虑数据的完整性(相互关联的几个标志读了一半被打断了重写),在1中可以通过关中断来实现,2中可以禁止任务调度,3中则只能依靠硬件的良好设计了。

    二、volatile 的含义

    volatile总是与优化有关,编译器有一种技术叫做数据流分析,分析程序中的变量在哪里赋值、在哪里使用、在哪里失效,分析结果可以用于常量合并,常量传播等优化,进一步可以死代码消除。但有时这些优化不是程序所需要的,这时可以用volatile关键字禁止做这些优化,volatile的字面含义是易变的,它有下面的作用:

    1 不会在两个操作之间把volatile变量缓存在寄存器中。在多任务、中断、甚至setjmp环境下,变量可能被其他的程序改变,编译器自己无法知道,volatile就是告诉编译器这种情况。

    2 不做常量合并、常量传播等优化,所以像下面的代码:
    在这里插入图片描述
    if的条件不会当作无条件真。

    3 对volatile变量的读写不会被优化掉。如果你对一个变量赋值但后面没用到,编译器常常可以省略那个赋值操作,然而对Memory Mapped IO的处理是不能这样优化的。
    前面有人说volatile可以保证对内存操作的原子性,这种说法不大准确,其一,x86需要LOCK前缀才能在SMP下保证原子性,其二,RISC根本不能对内存直接运算,要保证原子性得用别的方法,如atomic_inc。
    对于jiffies,它已经声明为volatile变量,我认为直接用jiffies++就可以了,没必要用那种复杂的形式,因为那样也不能保证原子性。
    你可能不知道在Pentium及后续CPU中,下面两组指令作用相同,但一条指令反而不如三条指令快。
    在这里插入图片描述

    三、编译器优化 → C关键字volatile → memory破坏描述符

    memory比较特殊,可能是内嵌汇编中最难懂部分。为解释清楚它,先介绍一下编译器的优化知识,再看C关键字volatile。最后去看该描述符。

    1、编译器优化介绍

    内存访问速度远不及CPU处理速度,为提高机器整体性能,在硬件上引入硬件高速缓存Cache,加速对内存的访问。另外在现代CPU中指令的执行并不一定严格按照顺序执行,没有相关性的指令可以乱序执行,以充分利用CPU的指令流水线,提高执行速度。以上是硬件级别的优化。再看软件一级的优化:一种是在编写代码时由程序员优化,另一种是由编译器进行优化。编译器优化常用的方法有:将内存变量缓存到寄存器;调整指令顺序充分利用CPU指令流水线,常见的是重新排序读写指令。对常规内存进行优化的时候,这些优化是透明的,而且效率很好。由编译器优化或者硬件重新排序引起的问题的解决办法是在从硬件(或者其他处理器)的角度看必须以特定顺序执行的操作之间设置内存屏障(memory barrier),linux 提供了一个宏解决编译器的执行顺序问题。
    在这里插入图片描述
    这个函数通知编译器插入一个内存屏障,但对硬件无效,编译后的代码会把当前CPU寄存器中的所有修改过的数值存入内存,需要这些数据的时候再重新从内存中读出。

    2、C语言关键字volatile

    C语言关键字volatile(注意它是用来修饰变量而不是上面介绍的volatile)表明某个变量的值可能在外部被改变,因此对这些变量的存取不能缓存到寄存器,每次使用时需要重新存取。该关键字在多线程环境下经常使用,因为在编写多线程的程序时,同一个变量可能被多个线程修改,而程序通过该变量同步各个线程,例如:
    在这里插入图片描述
    该线程启动时将intSignal置为2,然后循环等待直到intSignal为1时退出。显然intSignal的值必须在外部被改变,否则该线程不会退出。但是实际运行的时候该线程却不会退出,即使在外部将它的值改为1,看一下对应的伪汇编代码就明白了:
    在这里插入图片描述
    对于C编译器来说,它并不知道这个值会被其他线程修改。自然就把它cache在寄存器里面。记住,C 编译器是没有线程概念的!这时候就需要用到volatile。volatile 的本意是指:这个值可能会在当前线程外部被改变。也就是说,我们要在threadFunc中的intSignal前面加上volatile关键字,这时候,编译器知道该变量的值会在外部改变,因此每次访问该变量时会重新读取,所作的循环变为如下面伪码所示:
    在这里插入图片描述
    3、Memory

    有了上面的知识就不难理解Memory修改描述符了,Memory描述符告知GCC:
    1)不要将该段内嵌汇编指令与前面的指令重新排序;也就是在执行内嵌汇编代码之前,它前面的指令都执行完毕。
    2)不要将变量缓存到寄存器,因为这段代码可能会用到内存变量,而这些内存变量会以不可预知的方式发生改变,因此GCC插入必要的代码先将缓存到寄存器的变量值写回内存,如果后面又访问这些变量,需要重新访问内存。
    如果汇编指令修改了内存,但是GCC 本身却察觉不到,因为在输出部分没有描述,此时就需要在修改描述部分增加“memory”,告诉GCC 内存已经被修改,GCC 得知这个信息后,就会在这段指令之前,插入必要的指令将前面因为优化Cache 到寄存器中的变量值先写回内存,如果以后又要使用这些变量再重新读取。
    使用“volatile”也可以达到这个目的,但是我们在每个变量前增加该关键字,不如使用“memory”方便。

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