Java多線程（二）volatile關鍵字

1 volatile的定義

Java語言規範第三版中對volatile定義以下：Java編程語言容許線程訪問共享變量，爲了確保共享變量可以被準確和一致地更新，線程應該取保經過排它鎖單獨得到這個變量。Java語言提供了volatile，在某些狀況下比鎖更方便。若是一個字段被聲明成volatile，Java線程內存模型確保全部線程看到這個變量的值是一致的。

2 volatile 的內存語義

一旦一個 共享變量（類的成員變量、類的靜態成員變量）被 volatile 修飾以後，那麼就具有了兩層語義：

2.1 保證了不一樣線程對這個變量進行 讀取 時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值 ， 這新值對其餘線程來講是當即可見的 。(volatile 解決了線程間 共享變量 的可見性問題）

2.1.1 使用 volatile 關鍵字會強制 將修改的值當即寫入主存；

2.1.2 使用 volatile 關鍵字的話，當線程 2 進行修改時，會致使線程 1 的量 工做內存中緩存變量 stop 的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是 CPU 的 L1或者 L2 緩存中對應的緩存行無效）；

2.1.3 因爲線程 1 的工做內存中緩存變量 stop 的緩存行無效，因此線程 1再次讀取變量 stop 的值時 會去主存讀取。那麼，在線程 2 修改 stop 值時（固然這裏包括 2 個操做，修改線程 2 工做內存中的值，而後將修改後的值寫入內存），會使得線程 1 的工做內存中緩存變量 stop 的緩存行無效，而後線程 1 讀取時，發現本身的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新以後，而後去對應的主存讀取最新的值。那麼線程 1 讀取到的就是最新的正確的值。

2.2 禁止進行指令重排序 ，阻止編譯器對代碼的優化 。

volatile 關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：

2.2.1 當程序執行到 volatile 變量的讀操做或者寫操做時，在其前面的操做的更改確定所有已經進行，且 結果已經對後面的操做 可見；在其後面的操做確定尚未進行。

2.2.2 在進行指令優化時，不能把 volatile 變量前面的語句放在其後面執行，也不能把 volatile 變量後面的語句放到其前面執行。

爲了實現 volatile 的內存語義，加入 volatile 關鍵字時，編譯器在生成字節碼時，會在指令序列中插入內存屏障，會多出一個 lock 前綴指令。內存屏障是一組處理器指令，解決禁止指令重排序和內存可見性的問題。編譯器和 CPU 能夠在保證輸出結果同樣的狀況下對指令重排序，使性能獲得優化。處理器在進行重排序時是會考慮指令之間的數據依賴性。

內存屏障 有 2 個做用：

1）先於這個 內存屏障 的 指令 必須先執行，後於這個 內存屏障的指令 必須後執行 。

2） 使得內存可見性。因此， 若是你的字段是 volatile ，在讀指令前插入讀屏障，可讓高速緩存中的數據失效，從新從主內存加載數據。在寫指令以後插入寫屏障，能讓寫入緩存的最新數據寫回到主內存。

lock 前綴指令在多核處理器下會引起了兩件事情：

1).將當前處理器中這個變量所在緩存行的數據會寫回到系統內存。

2)它確保指令重排序時不會把其後面的指令排到內存屏障以前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的後面；即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操做已經所有完成。

內存屏障能夠被分爲如下幾種類型：

LoadLoad 屏障：對於這樣的語句 Load1; LoadLoad; Load2，在 Load2 及後續讀取操做要讀取的數據被訪問前，保證 Load1 要讀取的數據被讀取完畢。

StoreStore 屏障：對於這樣的語句 Store1; StoreStore; Store2，在 Store2 及後續寫入操做執行前，保證 Store1 的寫入操做對其它處理器可見。

LoadStore 屏障：對於這樣的語句 Load1; LoadStore; Store2，在 Store2 及後續寫入操做被刷出前，保證 Load1 要讀取的數據被讀取完畢。

StoreLoad 屏障：對於這樣的語句 Store1; StoreLoad; Load2，在 Load2 及後續全部讀取操做執行前，保證 Store1 的寫入對全部處理器可見。它的開銷是四種屏障中最大的。在大多數處理器的實現中，這個屏障是個萬能屏障，兼具其它三種內存屏障的功能。

3 volatile寫-讀的內存語義

3.1 線程A寫一個volatile變量，實質上是線程A向接下來將要讀這個volatile變量的某個線程發出了（其對共享變量所作修改的值）消息。

3.2 線程B讀一個volatile變量，實質上是線程B接收了以前某個線程發出的（在寫這個volatile變量以前對共享變量所修改的值）消息。

3.3 線程A寫一個volatile變量，隨後線程B讀取這個volatile變量，這個過程實質上是線程A經過主存向線程B發送消息。

4 線程之間的通訊機制

4.1 通訊方式的種類

線程之間的通訊一共有兩種方式：共享內存 和 消息傳遞。

共享內存 ：指的是多條線程共享同一片內存，發送者將消息寫入內存，接收者從內存中讀取消息，從而實現了消息的傳遞。但這種方式有個弊端，即須要程序員來控制線程的同步，即線程的執行次序。這種方式並無真正地實現消息傳遞，只是從結果上來看就像是將消息從一條線程傳遞到了另外一條線程。

消息傳遞： 顧名思義，消息傳遞指的是發送線程直接將消息傳遞給接收線程。因爲執行次序由併發機制完成，所以不須要程序員添加額外的同步機制，但須要聲明消息發送和接收的代碼。

Java使用共享內存的方式實現多線程之間的消息傳遞。所以，程序員須要寫額外的代碼用於線程之間的同步。

5 Java內存模型

Java 內存模型規定全部的變量都是存在 主存當中，每一個線程都有本身的 工做內存（相似於前面的高速緩存）。線程對變量的全部操做都必須在工做內存中進行，而不能直接對主存進行操做，而且每一個線程不能訪問其餘線程的工做內存。

5.1 Java內存模型通訊結構示意圖以下

Java 內存模型規定全部的變量都是存在 主存當中，每一個線程都有本身的 工做內存（相似於前面的高速緩存）。線程對變量的全部操做都必須在工做內存中進行，而不能直接對主存進行操做，而且每一個線程不能訪問其餘線程的工做內存。

從圖來看，若是線程A與線程B之間要通訊的話，必需要經歷下面2個步驟。

1） 線程A把本地內存A中更新過的共享變量刷新到主內存中去。

2） 線程B到主內存中去讀取線程A以前已經更新過的共享變量。

6 volatile必定能保證原子性嗎？

答案是否的，若是修改實例變量中的數據，好比i++;也就是i=i+1;則這樣的操做其實並非一個原子操做。也就是非線程安全的。表達式i++的操做步驟分解以下：

1）從內存中取出i的值；

2）計算i的值；

3）將i的值寫到內存。

假如在第2步計算值的時候，另一個線程也修改i的值，那麼這個時候就會出現髒數據。解決的辦法使用syschronized關鍵字。關於syschronized關鍵字明天繼續更新。

7 volatile 和 和 synchronized 區別 。

1) volatile 是變量修飾符，而 synchronized 則做用於代碼塊或方法。

2） volatile 不會對變量加鎖，不會形成線程的阻塞；synchronized 會對變量加鎖，可能會形成線程的阻塞。

3） volatile 僅能實現變量的修改可見性，並不能保證原子性；而synchronized 則 可 以 保 證 變 量 的 修 改 可 見 性 和 原 子 性 。（synchronized 有兩個重要含義：它確保了一次只有一個線程能夠執行代碼的受保護部分（互斥），並且它確保了一個線程更改的數據對於其它線程是可見的（更改的可見性），在釋放鎖以前會將對變量的修改刷新到主存中）。

4） volatile 標記的變量不會被編譯器優化，禁止指令重排序；synchronized 標記的變量能夠被編譯器優化。

以上內容皆整理自網上，以及《Java併發編程的藝術》，《Java多線程核心編程藝術》，關於今天的更新就到這裏啦。