淺析Volatile關鍵字

淺析Volatile關鍵字

在java中線程併發中，線程之間通訊方式分爲兩種：共享內存和消息傳遞。共享內存指的是多個線程之間共享內存的屬性狀態；消息傳遞指的是線程之間發送信息來通訊。在介紹volatile，咱們先了解一下共享內存一些基本概念。

JMM

Java內存模型（簡稱JMM）控制線程通訊，能夠分爲主內存和本地內存，每一個線程擁有一個本地內存。

 

如圖，通常主存只有一個，根據線程數不一樣，本地內存（又稱工做內存）數目也不一樣，本地內存是抽象出來的概念，實際上不存在。

線程之間經過內存來同步狀態能夠分爲如下幾個步驟：

一、  線程1從主存獲取變量x=1,假設此時其餘線程x都爲1

 

二、  線程1將本地內存中x值修改成2

三、  線程1將本地內存中x值放回主存

四、  其餘線程同步主存數據

以上，就是理想狀態線程之間經過主存通訊狀態，保證了內存的可見性。

 

指令重排序

         java程序在運行時，並不會嚴格按照程序代碼編寫的順序執行代碼，會對其進行重排序。例如如下例子：

 

         在程序執行代碼的時候，步驟1和步驟2可能被重排序，致使2可能在1以前先執行，可是重排序的前提是在單線程狀況下不會改變運行結果，所以1和2能夠重排序，可是3引用了1和2中的變量，所以3不會被重排序到1或者2以前。在單線程狀況下，重排序不會影響，但在多線程中會致使結果不可預見，可使用其餘方法來保證有序性。

原子性操做

         前面提到了可見性，有序性和原子性是在併發編程中最常碰見的三個概念。原子性指不可分割的操做。舉例說明，在32爲JVM中長度小於32爲的數據讀寫都是原子性操做，可是64位數據結構的讀寫不是原子性操做。例子以下：

一、  線程1和2中有共同變量x，爲Long型

二、  線程1將x改成LONG_MAX/2

三、線程1在修改本地內存中的值到主存時，先將Long的前32保存到主存中，此時主存中的x值爲LONG_MAX/2的前32爲加上LONG_MAX後32爲，咱們設爲z

 

四、線程2讀取主存中的x值並更新

五、線程1同步後32位數據到主存中，以後線程3也同步主存數據

         最後能夠看到，因爲64爲數據讀寫不是原子性的，單隻線程2獲取的數據爲錯誤數據，若是，線程1同步主存的操做爲原子性，那麼就不會出現以上狀況。

 

Volatile關鍵字

Volatile可以保證程序的原子性，例如將Long或者Double設置爲volatile能夠避免因爲非原子性讀寫形成的數據不一樣步。可是，相似於x = x+1;這種類型的複合操做，volatile依舊服務保證原子性。

一、  volatile關鍵字x，線程1將x修改成LONG_MAX/2，主存爲z

二、此時，因爲x是volatile，所以線程要從主存讀取這個值的時候，並不會主動到主存中獲取，而是等到其餘線程通知他再去獲取。所以，線程1將完整的x值寫到主存中。

三、以後，通知其餘線程去獲取x的值，以實現數值同步，保證原子性

         因爲volatile的值會及時將值刷新到主存中，volatile也保證了可見性。

         那麼volatile是否能保證有序性？我的看法是能在必定程度上保證數據的可見性，可是沒有了解到有資料明確說明volatile保證了原子性。

         volatile實際上設置了內存屏障，因爲內存屏障的存在，保證了多線程下不會因爲重排序致使數據不一致的問題。

是否重排序	第二個操做
第一個操做	普通讀寫	Volatile讀	Volatile寫
普通讀寫			No
Volatile讀	No	No	No
Volatile寫		No	No

可知volatile寫以前的操做不會被重排序到以後；volatile讀以後的操做不會被重排序到以前；第一個操做是volatile寫，第二個操做是volatile讀不會重排序。

         JMM採起的內存屏障策略爲：

一、  在volatile寫前面插入StoreStore屏障

二、  在volatile寫後面插入StoreLoad屏障

三、  在volatile讀後面插入LoadLoad屏障

四、  在volatile讀後面插入LoadStore屏障

 

StoreStore屏障保證volatile寫以前的普通寫刷新到主存當中，避免與前面普通寫重排序；

StoreLoad屏障保證volatile寫不會和以後的volatile讀寫重排序；

LoadLoad屏障禁止volatile讀不會與下面的普通讀重排序；

LoadStore屏障禁止volatile讀不會與下面的普通寫重排序。

具體可見p1，p2

 

P1

 

P2

 

一個例子

         以下例子，線程1執行writer方法，線程2執行reader方法，因爲JVM會進行重排序，所以可能的執行順序爲：

         一、線程1執行步驟2，此時a的值仍是0

         二、線程2執行步驟3，由於重排序不會在引發單線程結果改變，所以不會先執行4

         三、線程2執行步驟4,i的值爲0

         四、線程1執行步驟1

 

Int a = 0
Boolean flag =false
public void writer(){
　　a = 1;        //1
　　flag = true;   //2
}
public void reader(){
　　if(flag){      //3
   　　int i = a;  //4
　　}
}

可見，因爲重排序致使結果改變，修改代碼以下：

Int a = 0
volatile boolean flag =false
public void writer(){
    a = 1;        //1
    flag = true;   //2
}
public void reader(){
    if(flag){      //3
    int i = a;  //4
    }
}

執行步驟以下：

一、  線程1執行1，由於volatile變量flag前面插入StoreStore屏障，不會重排序

二、  線程1執行2；

三、  線程2執行3；

四、  線程2執行4，i爲2；

結果符合預期。