一起學并發編程 - Volatile關鍵字詳解

vpants 發布于2019-08-15 12:15 / 2699人閱讀

摘要：比如用修飾的變量，就會確保變量在修改時，其它線程是可見的。。多核環境中，多個線程分別在不同的中運行，就意味著，多個線程都有可能將變量拷貝到當前運行的里。當線程讀取變量時，它將能看見被線程寫入的東西。

volatile是用來標記一個JAVA變量存儲在主內存(main memory)中，多線程讀寫volatile變量會先從高速緩存中讀取，但是寫入的時候會立即通過內存總線刷到主存，同時內存總線中會對這個變量進行監聽，當發現數據變動時，會主動將該變量的CPU Cache置為失效。確切的說：每次寫操作volatile變量時，將直接將主內存(main memory)中最新的值讀取到當前Cache操作

概述

可見性： 是指線程之間數據可見共享，一個線程修改的狀態對另一個線程是可見的。比如：用volatile修飾的變量，就會確保變量在修改時，其它線程是可見的。。

在多線程中，對非volatile變量進行操作的時候，出于對性能的考慮，當對這些變量進行數據操作時，線程可能會從主內存里拷貝變量到CPU Cache中去。多核CPU環境中，多個線程分別在不同的CPU中運行，就意味著，多個線程都有可能將變量拷貝到當前運行的CPU Cache里。

如下圖所示（多線程數據模型）：

示例 - 非Volatile

public class NotSharedObject {

    private static int COUNTER = 0;
    private static final int MAX_LIMIT = 5;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            int localValue = COUNTER;
            while (localValue < MAX_LIMIT) {
                if (localValue != COUNTER) {
                    System.out.printf("[線程] - [%s] - [%d]
", Thread.currentThread().getName(), COUNTER);
                    localValue = COUNTER;
                }
            }
        }, "READER").start();

        new Thread(() -> {
            int localValue = COUNTER;
            while (COUNTER < MAX_LIMIT) {
                System.out.printf("[線程] - [%s] - [%d]
", Thread.currentThread().getName(), ++localValue);
                COUNTER = localValue;
            }
        }, "UPDATER").start();
    }
}

[線程] - [UPDATER] - [1]
[線程] - [UPDATER] - [2]
[線程] - [UPDATER] - [3]
[線程] - [UPDATER] - [4]
[線程] - [UPDATER] - [5]

結果表明，UPDATE線程雖修改數據，但是READER線程并未監聽到數據的變動，當前線程操作的是當前CPU Cache里的數據，而不是從main memory獲取的。

couner 的變量未使用volatile關鍵字修飾，即JVM無法保證有效的將CPU Cache的內容寫入主存中。意味著 counter 變量在CPU Cache中的值可能會與主存中的值不一樣。

如下圖所示（無Volatile）：

示例 - Volatile

private static volatile int COUNTER = 0;


[線程] - [UPDATER] - [1]
[線程] - [UPDATER] - [2]
[線程] - [READER] - [1]
[線程] - [UPDATER] - [3]
[線程] - [UPDATER] - [4]
[線程] - [UPDATER] - [5]
[線程] - [READER] - [3]

結果表明，volatile修飾后的變量并不會達到Lock的效果，它只會保證線程可見性，但不保證原子性，在讀取volatile變量和寫入它的新值時，由于操作耗時較短，就會產生 競爭條件:多個線程可能會讀取到volatile變量的相同值，然后產生新值并寫入主內存，這樣將會覆蓋互相的值。（有興趣的可以在創建一個UPDATE線程測試效果）

如下圖所示（Volatile）：

Happens-Before 原則

從Java5之后volatile關鍵字不僅能用于保證變量從主存中進行讀寫操作，同時還遵循Happens-Before原則，下文將會描述存在于volatile中的一些細節，想深入的可以自行谷歌 happens-before relationship或者訪問提供的幾個鏈接

參考文獻（1）：https://en.wikipedia.org/wiki/Happened-before

參考文獻（2）：http://preshing.com/20130702/the-happens-before-relation/

參考文獻（3）：http://www.importnew.com/17149.html

如果T1線程寫入了一個volatile變量然后T2線程讀取該變量，那么T1線程寫之前對其可見的所有變量，T2線程讀取該volatile之后也會對其可見。

禁止JVM指令重排優化，一旦被volatile修飾的變量，賦值后多執行了一個load addl $0x0, (%esp)操作，相當于多了一個內存屏障（指令重排序時不能把后面的指令重排序到內存屏障之前的位置），單核CPU訪問內存時，并不需要內存屏障；

看看下面這個示例：

T1線程:
Object obj;
volatile boolean init;
---------T1線程------------
obj = createObj()    1;
init = true;        2;
---------T2線程------------
while(!init){
    sleep();
}
useTheObj(obj);

被volatile修飾過的變量 init在寫操作之前，創建了非volatile變量的obj，因而T1線程在寫入init后，會將obj也寫入主內存中去。

由于T2線程啟動的時候讀取被volatile修飾過的init，因而變量 init 和變量 obj 都會被寫入T2線程所使用的CPU緩存中去。當T2線程讀取 obj 變量時，它將能看見被T1線程寫入的東西。

總結適用場景

線程可見，狀態量標記

volatile boolean start = true;

while(start){
//
}
void close(){
    start = false;
}

屏障前后一致性，禁止指令重排

- 說點什么

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