內(nèi)存可見(jiàn)性

　　volatile是Java提供的一種輕量級(jí)的同步機(jī)制，在并發(fā)編程中，它也扮演著比較重要的角色。同synchronized相比（synchronized通常稱(chēng)為重量級(jí)鎖），volatile更輕量級(jí)，相比使用synchronized時(shí)引起的線(xiàn)程上下文切換所帶來(lái)的龐大開(kāi)銷(xiāo)，倘若能恰當(dāng)?shù)暮侠淼氖褂胿olatile，自然是美事一樁。

　　為了能比較清晰徹底的理解volatile，我們一步一步來(lái)分析。首先來(lái)看看如下代碼

public class TestVolatile {
 boolean status = false;
 /**
  * 狀態(tài)切換為true
  */
 public void changeStatus(){
  status = true;
 }
 /**
  * 若狀態(tài)為true，則running。
  */
 public void run(){
  if(status){
   System.out.println("running....");
  }
 }
}

　　上面這個(gè)例子，在多線(xiàn)程環(huán)境里，假設(shè)線(xiàn)程A執(zhí)行changeStatus()方法后,線(xiàn)程B運(yùn)行run()方法，可以保證輸出"running....."嗎？

　　答案是NO!

　　這個(gè)結(jié)論會(huì)讓人有些疑惑，可以理解。因?yàn)樘热粼趩尉€(xiàn)程模型里，先運(yùn)行changeStatus方法，再執(zhí)行run方法，自然是可以正確輸出"running...."的；但是在多線(xiàn)程模型中，是沒(méi)法做這種保證的。因?yàn)閷?duì)于共享變量status來(lái)說(shuō)，線(xiàn)程A的修改，對(duì)于線(xiàn)程B來(lái)講，是"不可見(jiàn)"的。也就是說(shuō)，線(xiàn)程B此時(shí)可能無(wú)法觀測(cè)到status已被修改為true。那么什么是可見(jiàn)性呢？

　　所謂可見(jiàn)性，是指當(dāng)一條線(xiàn)程修改了共享變量的值，新值對(duì)于其他線(xiàn)程來(lái)說(shuō)是可以立即得知的。很顯然，上述的例子中是沒(méi)有辦法做到內(nèi)存可見(jiàn)性的。

　　Java內(nèi)存模型

　　為什么出現(xiàn)這種情況呢，我們需要先了解一下JMM（java內(nèi)存模型）

　　java虛擬機(jī)有自己的內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM），JMM可以屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異，以實(shí)現(xiàn)讓java程序在各種平臺(tái)下都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問(wèn)效果。

　　JMM決定一個(gè)線(xiàn)程對(duì)共享變量的寫(xiě)入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線(xiàn)程可見(jiàn)，JMM定義了線(xiàn)程和主內(nèi)存之間的抽象關(guān)系：共享變量存儲(chǔ)在主內(nèi)存(Main Memory)中，每個(gè)線(xiàn)程都有一個(gè)私有的本地內(nèi)存（Local Memory），本地內(nèi)存保存了被該線(xiàn)程使用到的主內(nèi)存的副本拷貝，線(xiàn)程對(duì)變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫(xiě)主內(nèi)存中的變量。這三者之間的交互關(guān)系如下

　　需要注意的是，JMM是個(gè)抽象的內(nèi)存模型，所以所謂的本地內(nèi)存，主內(nèi)存都是抽象概念，并不一定就真實(shí)的對(duì)應(yīng)cpu緩存和物理內(nèi)存。當(dāng)然如果是出于理解的目的，這樣對(duì)應(yīng)起來(lái)也無(wú)不可。

　　大概了解了JMM的簡(jiǎn)單定義后，問(wèn)題就很容易理解了，對(duì)于普通的共享變量來(lái)講，比如我們上文中的status，線(xiàn)程A將其修改為true這個(gè)動(dòng)作發(fā)生在線(xiàn)程A的本地內(nèi)存中，此時(shí)還未同步到主內(nèi)存中去；而線(xiàn)程B緩存了status的初始值false，此時(shí)可能沒(méi)有觀測(cè)到status的值被修改了，所以就導(dǎo)致了上述的問(wèn)題。那么這種共享變量在多線(xiàn)程模型中的不可見(jiàn)性如何解決呢？比較粗暴的方式自然就是加鎖，但是此處使用synchronized或者Lock這些方式太重量級(jí)了，有點(diǎn)炮打蚊子的意思。比較合理的方式其實(shí)就是volatile

　　volatile具備兩種特性，第一就是保證共享變量對(duì)所有線(xiàn)程的可見(jiàn)性。將一個(gè)共享變量聲明為volatile后，會(huì)有以下效應(yīng)：

　　　　1.當(dāng)寫(xiě)一個(gè)volatile變量時(shí)，JMM會(huì)把該線(xiàn)程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的變量強(qiáng)制刷新到主內(nèi)存中去；

　　　　2.這個(gè)寫(xiě)會(huì)操作會(huì)導(dǎo)致其他線(xiàn)程中的緩存無(wú)效。

上面的例子只需將status聲明為volatile，即可保證在線(xiàn)程A將其修改為true時(shí)，線(xiàn)程B可以立刻得知

 volatile boolean status = false;

留意復(fù)合類(lèi)操作

　　但是需要注意的是，我們一直在拿volatile和synchronized做對(duì)比，僅僅是因?yàn)檫@兩個(gè)關(guān)鍵字在某些內(nèi)存語(yǔ)義上有共通之處，volatile并不能完全替代synchronized，它依然是個(gè)輕量級(jí)鎖，在很多場(chǎng)景下，volatile并不能勝任?？聪逻@個(gè)例子：

package test;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
/**
 * Created by chengxiao on 2017/3/18.
 */
public class Counter {
 public static volatile int num = 0;
 //使用CountDownLatch來(lái)等待計(jì)算線(xiàn)程執(zhí)行完
 static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
 public static void main(String []args) throws InterruptedException {
  //開(kāi)啟30個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行累加操作
  for(int i=0;i<30;i++){
   new Thread(){
    public void run(){
     for(int j=0;j<10000;j++){
      num++;//自加操作
     }
     countDownLatch.countDown();
    }
   }.start();
  }
  //等待計(jì)算線(xiàn)程執(zhí)行完
  countDownLatch.await();
  System.out.println(num);
 }
}

執(zhí)行結(jié)果：

224291

針對(duì)這個(gè)示例，一些同學(xué)可能會(huì)覺(jué)得疑惑，如果用volatile修飾的共享變量可以保證可見(jiàn)性，那么結(jié)果不應(yīng)該是300000么?

問(wèn)題就出在num++這個(gè)操作上，因?yàn)閚um++不是個(gè)原子性的操作，而是個(gè)復(fù)合操作。我們可以簡(jiǎn)單講這個(gè)操作理解為由這三步組成:

　　1.讀取

　　2.加一

　　3.賦值

　　所以，在多線(xiàn)程環(huán)境下，有可能線(xiàn)程A將num讀取到本地內(nèi)存中，此時(shí)其他線(xiàn)程可能已經(jīng)將num增大了很多，線(xiàn)程A依然對(duì)過(guò)期的num進(jìn)行自加，重新寫(xiě)到主存中，最終導(dǎo)致了num的結(jié)果不合預(yù)期，而是小于30000。

解決num++操作的原子性問(wèn)題

　　針對(duì)num++這類(lèi)復(fù)合類(lèi)的操作，可以使用java并發(fā)包中的原子操作類(lèi)原子操作類(lèi)是通過(guò)循環(huán)CAS的方式來(lái)保證其原子性的。

/**
 * Created by chengxiao on 2017/3/18.
 */
public class Counter {
　　//使用原子操作類(lèi)
 public static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
 //使用CountDownLatch來(lái)等待計(jì)算線(xiàn)程執(zhí)行完
 static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
 public static void main(String []args) throws InterruptedException {
  //開(kāi)啟30個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行累加操作
  for(int i=0;i<30;i++){
   new Thread(){
    public void run(){
     for(int j=0;j<10000;j++){
      num.incrementAndGet();//原子性的num++,通過(guò)循環(huán)CAS方式
     }
     countDownLatch.countDown();
    }
   }.start();
  }
  //等待計(jì)算線(xiàn)程執(zhí)行完
  countDownLatch.await();
  System.out.println(num);
 }
}

執(zhí)行結(jié)果

300000
關(guān)于原子類(lèi)操作的基本原理，會(huì)在后面的章節(jié)進(jìn)行介紹，此處不再贅述。

禁止指令重排序

volatile還有一個(gè)特性：禁止指令重排序優(yōu)化。

重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對(duì)指令序列進(jìn)行排序的一種手段。但是重排序也需要遵守一定規(guī)則：

　　1.重排序操作不會(huì)對(duì)存在數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系的操作進(jìn)行重排序。

　　　　比如：a=1;b=a; 這個(gè)指令序列，由于第二個(gè)操作依賴(lài)于第一個(gè)操作，所以在編譯時(shí)和處理器運(yùn)行時(shí)這兩個(gè)操作不會(huì)被重排序。

　　2.重排序是為了優(yōu)化性能，但是不管怎么重排序，單線(xiàn)程下程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變

　　　　比如：a=1;b=2;c=a+b這三個(gè)操作，第一步（a=1)和第二步(b=2)由于不存在數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系，所以可能會(huì)發(fā)生重排序，但是c=a+b這個(gè)操作是不會(huì)被重排序的，因?yàn)樾枰ＷC最終的結(jié)果一定是c=a+b=3。

　　重排序在單線(xiàn)程模式下是一定會(huì)保證最終結(jié)果的正確性，但是在多線(xiàn)程環(huán)境下，問(wèn)題就出來(lái)了，來(lái)開(kāi)個(gè)例子，我們對(duì)第一個(gè)TestVolatile的例子稍稍改進(jìn)，再增加個(gè)共享變量a

public class TestVolatile {
 int a = 1;
 boolean status = false;
 /**
  * 狀態(tài)切換為true
  */
 public void changeStatus(){
  a = 2;//1
  status = true;//2
 }
 /**
  * 若狀態(tài)為true，則running。
  */
 public void run(){
  if(status){//3
   int b = a+1;//4
   System.out.println(b);
  }
 }
}

　　假設(shè)線(xiàn)程A執(zhí)行changeStatus后，線(xiàn)程B執(zhí)行run，我們能保證在4處，b一定等于3么？

　　答案依然是無(wú)法保證！也有可能b仍然為2。上面我們提到過(guò)，為了提供程序并行度，編譯器和處理器可能會(huì)對(duì)指令進(jìn)行重排序，而上例中的1和2由于不存在數(shù)據(jù)依賴(lài)關(guān)系，則有可能會(huì)被重排序，先執(zhí)行status=true再執(zhí)行a=2。而此時(shí)線(xiàn)程B會(huì)順利到達(dá)4處，而線(xiàn)程A中a=2這個(gè)操作還未被執(zhí)行，所以b=a+1的結(jié)果也有可能依然等于2。

　　使用volatile關(guān)鍵字修飾共享變量便可以禁止這種重排序。若用volatile修飾共享變量，在編譯時(shí)，會(huì)在指令序列中插入內(nèi)存屏障來(lái)禁止特定類(lèi)型的處理器重排序

　　volatile禁止指令重排序也有一些規(guī)則，簡(jiǎn)單列舉一下：

　　1.當(dāng)?shù)诙€(gè)操作是voaltile寫(xiě)時(shí)，無(wú)論第一個(gè)操作是什么，都不能進(jìn)行重排序

　　2.當(dāng)?shù)匾粋€(gè)操作是volatile讀時(shí)，不管第二個(gè)操作是什么，都不能進(jìn)行重排序

　　3.當(dāng)?shù)谝粋€(gè)操作是volatile寫(xiě)時(shí)，第二個(gè)操作是volatile讀時(shí)，不能進(jìn)行重排序

總結(jié)：

　　簡(jiǎn)單總結(jié)下，volatile是一種輕量級(jí)的同步機(jī)制，它主要有兩個(gè)特性：一是保證共享變量對(duì)所有線(xiàn)程的可見(jiàn)性；二是禁止指令重排序優(yōu)化。同時(shí)需要注意的是，volatile對(duì)于單個(gè)的共享變量的讀/寫(xiě)具有原子性，但是像num++這種復(fù)合操作，volatile無(wú)法保證其原子性，當(dāng)然文中也提出了解決方案，就是使用并發(fā)包中的原子操作類(lèi)，通過(guò)循環(huán)CAS地方式來(lái)保證num++操作的原子性。關(guān)于原子操作類(lèi)，會(huì)在后續(xù)的文章進(jìn)行介紹。大家敬請(qǐng)關(guān)注腳本之家網(wǎng)站！

最新評(píng)論