volatile是Java程序員必備的基礎,也是面試官很是喜歡問的一個話題,本文跟你們一塊兒開啓vlatile學習之旅,若是有不正確的地方,也麻煩你們指出哈,一塊兒相互學習~html
「github 地址」java
❝https://github.com/whx123/JavaHomegit
❞
volatile關鍵字是Java虛擬機提供的的「最輕量級的同步機制」,它做爲一個修飾符出現,用來「修飾變量」,可是這裏不包括局部變量哦。咱們來看個demo吧,代碼以下:程序員
/**
* @Author 撿田螺的小男孩
* @Date 2020/08/02
* @Desc volatile的可見性探索
*/
public class VolatileTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Task task = new Task();
Thread t1 = new Thread(task, "線程t1");
Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(1000);
System.out.println("開始通知線程中止");
task.stop = true; //修改stop變量值。
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "線程t2");
t1.start(); //開啓線程t1
t2.start(); //開啓線程t2
Thread.sleep(1000);
}
}
class Task implements Runnable {
boolean stop = false;
int i = 0;
@Override
public void run() {
long s = System.currentTimeMillis();
while (!stop) {
i++;
}
System.out.println("線程退出" + (System.currentTimeMillis() - s));
}
}
「運行結果:」 能夠發現線程t2,雖然把stop設置爲true了,可是線程t1對t2的「stop變量視而不可見」,所以,它一直在死循環running中。若是給變量stop加上volatile修飾,線程t1是能夠停下來的,運行結果以下:github
volatile boolean stop = false;
從以上例子,咱們能夠發現變量stop,加了vlatile修飾以後,線程t1對stop就可見了。其實,vlatile的做用就是:「保證變量對全部線程可見性」。固然,vlatile還有個做用就是,「禁止指令重排」,可是它「不保證原子性」。 web
因此當面試官問你「volatile的做用或者特性」,均可以這麼回答:面試
爲了更好理解volatile,先回顧一下計算機的內存模型與JMM(Java內存模型)吧~數據庫
計算機執行程序時,指令是由CPU處理器執行的,而打交道的數據是在主內存當中的。編程
因爲計算機的存儲設備與處理器的運算速度有幾個數量級的差距,總不能每次CPU執行完指令,而後等主內存慢悠悠存取數據吧, 因此現代計算機系統加入一層讀寫速度接近處理器運算速度的高速緩存(Cache),以做爲來做爲內存與處理器之間的緩衝。緩存
在多路處理器系統中,每一個處理器都有本身的高速緩存,而它們共享同一主內存。「計算機抽象內存模型」以下:
隨着科學技術的發展,爲了效率,高速緩存又衍生出一級緩存(L1),二級緩存(L2),甚至三級緩存(L3);
當多個處理器的運算任務都涉及同一塊主內存區域,可能致使「緩存數據不一致」問題。如何解決這個問題呢?有兩種方案
❝❞
一、經過在總線加LOCK#鎖的方式。 二、經過緩存一致性協議(Cache Coherence Protocol)
❝總線(Bus)是計算機各類功能部件之間傳送信息的公共通訊幹線,它是由導線組成的傳輸線束, 按照計算機所傳輸的信息種類,計算機的總線能夠劃分爲數據總線、地址總線和控制總線,分別用來傳輸數據、數據地址和控制信號。
❞
CPU和其餘功能部件是經過總線通訊的,若是在總線加LOCK#鎖,那麼在鎖住總線期間,其餘CPU是沒法訪問內存,這樣一來,「效率就比較低了」。
爲了解決一致性問題,還能夠經過緩存一致性協議。即各個處理器訪問緩存時都遵循一些協議,在讀寫時要根據協議來進行操做,這類協議有MSI、MESI(IllinoisProtocol)、MOSI、Synapse、Firefly及DragonProtocol等。比較著名的就是Intel的MESI(Modified Exclusive Shared Or Invalid)協議,它的核心思想是:
❝當CPU寫數據時,若是發現操做的變量是共享變量,即在其餘CPU中也存在該變量的副本,會發出信號通知其餘CPU將該變量的緩存行置爲無效狀態,所以當其餘CPU須要讀取這個變量時,發現本身緩存中緩存該變量的緩存行是無效的,那麼它就會從內存從新讀取。
❞
CPU中每一個緩存行標記的4種狀態(M、E、S、I),也瞭解一下吧:
緩存狀態 | 描述 |
---|---|
M,被修改(Modified) | 該緩存行只被該CPU緩存,與主存的值不一樣,會在它被其餘CPU讀取以前寫入內存,並設置爲Shared |
E,獨享的(Exclusive) | 該緩存行只被該CPU緩存,與主存的值相同,被其餘CPU讀取時置爲Shared,被其餘CPU寫時置爲Modified |
S,共享的(Shared) | 該緩存行可能被多個CPU緩存,各個緩存中的數據與主存數據相同 |
I,無效的(Invalid) | 該緩存行數據是無效,須要時需從新從主存載入 |
MESI協議是如何實現的?如何保證當前處理器的內部緩存、主內存和其餘處理器的緩存數據在總線上保持一致的?「多處理器總線嗅探」
❝在多處理器下,爲了保證各個處理器的緩存是一致的,就會實現緩存緩存一致性協議,每一個處理器經過嗅探在總線上傳播的數據來檢查本身的緩存值是否是過時了,若是處理器發現本身緩存行對應的內存地址被修改,就會將當前處理器的緩存行設置無效狀態,當處理器對這個數據進行修改操做的時候,會從新從系統內存中把數據庫讀處處理器緩存中。
❞
舉個例子吧,假設i的初始值是0,執行如下語句:
i = i+1;
首先,執行線程t1從主內存中讀取到i=0,到工做內存。而後在工做內存中,賦值i+1,工做內存就獲得i=1,最後把結果寫回主內存。所以,若是是單線程的話,該語句執行是沒問題的。可是呢,線程t2的本地工做內存還沒過時,那麼它讀到的數據就是髒數據了。如圖:
Java內存模型是圍繞着如何在併發過程當中如何處理「原子性、可見性和有序性」這3個特徵來創建的,咱們再來一塊兒回顧一下~
原子性,指操做是不可中斷的,要麼執行完成,要麼不執行,基本數據類型的訪問和讀寫都是具備原子性,固然(long和double的非原子性協定除外)。咱們來看幾個小例子:
i =666; // 語句1
i = j; // 語句2
i = i+1; //語句 3
i++; // 語句4
Java虛擬機這樣描述Java程序的有序性的:若是在本線程內觀察,全部的操做都是有序的;若是在一個線程中,觀察另外一個線程,全部的操做都是無序的。
後半句意思就是,在Java內存模型中,「容許編譯器和處理器對指令進行重排序」,會影響到多線程併發執行的正確性;前半句意思就是「as-if-serial」的語義,即無論怎麼重排序(編譯器和處理器爲了提升並行度),(單線程)程序的執行結果不會被改變。
好比如下程序代碼:
double pi = 3.14; //A
double r = 1.0; //B
double area = pi * r * r; //C
步驟C依賴於步驟A和B,由於指令重排的存在,程序執行順訊多是A->B->C,也多是B->A->C,可是C不能在A或者B前面執行,這將違反as-if-serial語義。
看段代碼吧,假設程序先執行read方法,再執行add方法,結果必定是輸出sum=2嘛?
bool flag = false;
int b = 0;
public void read() {
b = 1; //1
flag = true; //2
}
public void add() {
if (flag) { //3
int sum =b+b; //4
System.out.println("bb sum is"+sum);
}
}
若是是單線程,結果應該沒問題,若是是多線程,線程t1對步驟1和2進行了「指令重排序」呢?結果sum就不是2了,而是0,以下圖所示:
這是爲啥呢?「指令重排序」瞭解一下,指令重排是指在程序執行過程當中,「爲了提升性能」, 「編譯器和CPU可能會對指令進行從新排序」。CPU重排序包括指令並行重排序和內存系統重排序,重排序類型和重排序執行過程以下:
實際上,能夠給flag加上volatile關鍵字,來保證有序性。固然,也能夠經過synchronized和Lock來保證有序性。synchronized和Lock保證某一時刻是隻有一個線程執行同步代碼,至關因而讓線程順序執行程序代碼了,天然就保證了有序性。
實際上Java內存模型的有序性並非僅靠volatile、synchronized和Lock來保證有序性的。這是由於Java語言中,有一個先行發生原則(happens-before):
根據happens-before的八大規則,咱們回到剛的例子,一塊兒分析一下。給flag加上volatile關鍵字,look look它是如何保證有序性的,
volatile bool flag = false;
int b = 0;
public void read() {
b = 1; //1
flag = true; //2
}
public void add() {
if (flag) { //3
int sum =b+b; //4
System.out.println("bb sum is"+sum);
}
}
以上討論學習,咱們知道volatile的語義就是保證變量對全部線程可見性以及禁止指令重排優化。那麼,它的底層是如何保證可見性和禁止指令重排的呢?
在這裏,先看幾個圖吧,哈哈~
假設flag變量的初始值false,如今有兩條線程t1和t2要訪問它,就能夠簡化爲如下圖:
若是線程t1執行如下代碼語句,而且flag沒有volatile修飾的話;t1剛修改完flag的值,還沒來得及刷新到主內存,t2又跑過來讀取了,很容易就數據flag不一致了,以下:
flag=true;
若是flag變量是由volatile修飾的話,就不同了,若是線程t1修改了flag值,volatile能保證修飾的flag變量後,能夠「當即同步回主內存」。如圖:
細心的朋友會發現,線程t2不仍是flag舊的值嗎,這不還有問題嘛?其實volatile還有一個保證,就是「每次使用前當即先從主內存刷新最新的值」,線程t1修改完後,線程t2的變量副本會過時了,如圖:
顯然,這裏還不是底層,實際上volatile保證可見性和禁止指令重排都跟「內存屏障」有關,咱們編譯volatile相關代碼看看~
DCL單例模式(Double Check Lock,雙重檢查鎖)比較經常使用,它是須要volatile修飾的,因此就拿這段代碼編譯吧
public class Singleton {
private volatile static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
編譯這段代碼後,觀察有volatile關鍵字和沒有volatile關鍵字時的instance所生成的彙編代碼發現,有volatile關鍵字修飾時,會多出一個lock addl $0x0,(%esp),即多出一個lock前綴指令
0x01a3de0f: mov $0x3375cdb0,%esi ;...beb0cd75 33
; {oop('Singleton')}
0x01a3de14: mov %eax,0x150(%esi) ;...89865001 0000
0x01a3de1a: shr $0x9,%esi ;...c1ee09
0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi) ;...c6860048 100100
0x01a3de24: lock addl $0x0,(%esp) ;...f0830424 00
;*putstatic instance
; - Singleton::getInstance@24
lock指令至關於一個「內存屏障」,它保證如下這幾點:
❝❞
1.重排序時不能把後面的指令重排序到內存屏障以前的位置 2.將本處理器的緩存寫入內存 3.若是是寫入動做,會致使其餘處理器中對應的緩存無效。
顯然,第二、3點不就是volatile保證可見性的體現嘛,第1點就是禁止指令重排列的體現。
內存屏障四大分類:(Load 表明讀取指令,Store表明寫入指令)
內存屏障類型 | 抽象場景 | 描述 |
---|---|---|
LoadLoad屏障 | Load1; LoadLoad; Load2 | 在Load2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 | Store1; StoreStore; Store2 | 在Store2寫入執行前,保證Store1的寫入操做對其它處理器可見 |
LoadStore屏障 | Load1; LoadStore; Store2 | 在Store2被寫入前,保證Load1要讀取的數據被讀取完畢。 |
StoreLoad屏障 | Store1; StoreLoad; Load2 | 在Load2讀取操做執行前,保證Store1的寫入對全部處理器可見。 |
爲了實現volatile的內存語義,Java內存模型採起如下的保守策略
有些小夥伴,可能對這個仍是有點疑惑,內存屏障這玩意太抽象了。咱們照着代碼看下吧:
內存屏障保證前面的指令先執行,因此這就保證了禁止了指令重排啦,同時內存屏障保證緩存寫入內存和其餘處理器緩存失效,這也就保證了可見性,哈哈~
一般來講,使用volatile必須具有如下2個條件:
實際上,volatile場景通常就是「狀態標誌」,以及「DCL單例模式」。
深刻理解Java虛擬機,書中的例子:
Map configOptions;
char[] configText;
// 此變量必須定義爲 volatile
volatile boolean initialized = false;
// 假設如下代碼在線程 A 中運行
// 模擬讀取配置信息, 當讀取完成後將 initialized 設置爲 true 以告知其餘線程配置可用
configOptions = new HashMap();
configText = readConfigFile(fileName);
processConfigOptions(configText, configOptions);
initialized = true;
// 假設如下代碼在線程 B 中運行
// 等待 initialized 爲 true, 表明線程 A 已經把配置信息初始化完成
while(!initialized) {
sleep();
}
// 使用線程 A 中初始化好的配置信息
doSomethingWithConfig();
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;
}
}
底層是經過內存屏障實現的哦,volatile能保證修飾的變量後,能夠當即同步回主內存,每次使用前當即先從主內存刷新最新的值。
也是內存屏障哦,跟面試官講下Java內存的保守策略:
再講下volatile的語義哦,重排序時不能把內存屏障後面的指令重排序到內存屏障以前的位置
不能夠,能夠直接舉i++那個例子,原子性須要synchronzied或者lock保證
public class Test {
public volatile int race = 0;
public void increase() {
race++;
}
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<100;j++)
test.increase();
};
}.start();
}
//等待全部累加線程結束
while(Thread.activeCount()>1)
Thread.yield();
System.out.println(test.race);
}
}
能夠看本文的第六小節,volatile底層原理哈,主要你要跟面試官講述,volatile如何保證可見性和禁止指令重排,須要講到內存屏障~
推薦以前寫的一篇文章: Synchronized解析——若是你願意一層一層剝開個人心[1]
Synchronized解析——若是你願意一層一層剝開個人心: https://juejin.im/post/6844903918653145102
[2]Java併發編程:volatile關鍵字解析: https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
[3]面試官最愛的volatile關鍵字: https://juejin.im/post/6844903520760496141
[4]面試官沒想到一個Volatile,我都能跟他扯半小時: https://juejin.im/post/6844904149536997384
[5]再有人問你Java內存模型是什麼,就把這篇文章發給他。: http://47.103.216.138/archives/2550
[6]【併發編程】MESI--CPU緩存一致性協議: https://www.cnblogs.com/z00377750/p/9180644.html
[7]漫畫:volatile對指令重排的影響 : https://www.sohu.com/a/211287207_684445
[8]volatile三大特性詳解: https://www.jianshu.com/p/765e3abbe89a