volatile的使用

本文主要介绍volatile关键字的用法

 

一、cpu缓存模型

 

计算机的存储设备与处理器的运算速度有量级的差异，因此添加一个硬件设备，使其读写速度尽可能接近cpu的处理速度，该设备就是高速缓存。

 

高速缓存的存储交互解决了处理器与内存之间速度的矛盾，但也引入了一个新问题，缓存一致性问题（下文讲解）。

 

高速缓存：内存与处理器之间的桥梁。将运算需要使用的数据复制到缓存中，让处理器尽快执行，当运算结束后再从缓存同步回主内存。

                                                      CPU缓存模型

 

 

二、Java内存模型（JMM）

 

1、Java内存模型

Java内存模型与cpu缓存模型类似，屏蔽掉各种硬件和操作系统之间内存访问的差异，实现让Java在各个平台下都能达到内存一致性访问效果。

 

2、主内存、工作内存

JMM目标：定义各种变量访问规则，此处的变量为共享变量，如类变量，实例变量以及构成数组对象的元素。不包括：方法参数，局部变量，这些变量为方法持有，线程私有。

 

主内存：与硬件的主内存名字一致，可以进行类比。但是该内存为JVM内存的一部分，主要存放变量；

工作内存：可以与硬件的高速缓存类比，工作内存中保存了从主内存拷贝的变量副本。

Java线程：直接操作工作内存的变量，各线程间工作内存不能互相访问。

 

3、内存之间的交互

 

JMM定义如下8中操作完成，工作内存与主内存的交互：

 

      （1）lock(锁定)：作用于主内存的变量，把一个标量表示为线程独占状态；

      （2）unlock(解锁)：作用于主内存的变量，把一个锁定的变量解锁，解锁的变量可以被其他线程锁定；

      （3）read(读取)：作用于主内存的变量，将一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存，以便随后的load操作；

      （4）load(载入)：作用于工作内存，将read操作从主内存读到的变量值放入到工作内存的变量副本中；

      （5）use(使用)：作用于工作内存中，将工作内存中的一个变量值传递给执行引擎，每当虚拟机需要一个使用变量值的字节码指令时将会执行该操作；

      （6）assign(赋值)：作用于工作内存，将一个从执行引擎收到的值赋值给工作内存变量；

      （7）store(存储)：作用于工作内存的变量，将工作内存中的一个值传递到主内存，以便随后的write操作使用；

      （8）write(写入)：作用于主内存，将store操作的工作内存的得到的变量的值放入主内存的变量中

 

3.1、示例代码

package com.kingdee.bos.jvm.jmm;

/**
 * volatile关键字，可见行测试
 * @author cc
 * @project EffectiveJava
 * @date 2019-10-27 22:07
 */
public class VolatileTest1 {

    private static boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) {

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("t1 开始运行准备数据ing！");
                while(!flag){

                }
                System.out.println("t1 数据准备完毕，线程退出！t1 success!");
            }
        });

        t1.start();

        try {
            Thread.sleep(50);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("t2,协助准备业务需要的数据！");
                preparedData();
                System.out.println("t2, 协助准备业务数据完成！");
            }
        });

        t2.start();

    }

    private static void preparedData(){
        flag=true;
    }

}

 运算结果：

t1 开始运行准备数据ing！

t2,协助准备业务需要的数据！

t2, 协助准备业务数据完成！

 

结果分析：System.out.println("t1 数据准备完毕，线程退出！t1 success!");这句语句一直没有打印出来。

 

3.2、从JMM模型角度分析3.1代码执行结果

 

(上图中load操作省略了)由于其中线程修改了共享变量的值，但是，对其他线程不可见，因此，其他线程操作的变量值，还是之前的值，因此，会存在线程安全问题。解决此问题的办法给变量添加volatile关键字。

 

3.3 volatile关键字

 

（1） volatile解决问题：Java多线程访问共享变量数据，解决了变量的对其他线程可见性问题

 

早期CPU处理变量可见性问题：

CPU从主内存读取高速缓存的数据，经过总线，会在总线这一层对数据进行加锁操作，在这期间其他CPU只能等待直到其他CPU处理完数据为止，相当于把多核CPU的并发操作变为了串行操作，浪费了CPU的性能。效率也很低。

 

MESI缓存一致性协议：

多个CPU从主内存读取数据到高速缓存中，当其中的某一个CPU修改了缓存中数据后会立即同步回主内存。其他CPU通过总线嗅探机制将自己的缓存中的数据失效。

 

（2）volatile底层原理：

A、共享变量被volatile修饰时会产生一个lock addl $0x0,(%esp)的操作，这个操作相当于一个内存屏障，指令重排序时不能把后面指令排序到内存屏障之前。一个CPU访问不需要内存屏障，多个CPU访问内存需要内存屏障。

B、lock前缀，使得CPU将缓存数据写入到内存中，写入内存的动作也会触发其他CPU缓存的共享变量数据失效。

C、volatile关键字，会产生一个lock前缀，根据MESI缓存一致性原则，volatile修饰的变量会立即从工作内存写会到主内存，此时会执行store，write操作，在执行store操作时会加锁（相对于早期CPU加锁机制，该锁粒度更细，性能较高），store操作经过总线时，总线嗅探机制感知到之后，会将其他CPU中共享变量的数据失效。执行完store之后，会执行write操作，将变量值放到主内存变量中，此时锁会释放。

 

 

 3.4 volatile 非原子性操作

package com.kingdee.bos.sbdemo.execise;

/**
 * @author Administrator
 * @version 2019/10/29 9:38
 */
public class VolatileTest2 {

    private volatile static int num=0;


    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i <20 ; i++) {

            new Thread(()->{
                for (int j = 0; j <1000 ; j++) {

                    incr();
                }
            }).start();

        }

        try {
            // 活动线程数量>1 主线程让出cpu时间片
//            while (Thread.activeCount()>1)
//                Thread.yield();
            Thread.sleep(50);
            System.out.println("num:"+num);// <=20000
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }


    }

    private static void  incr(){
        num++;    }

}

 

运行结果：num<=20000

分析：

 从JMM角度考虑，起始时所有线程持有变量num=0，其中一个线程t1先执行num++1，此时num=1,该线程(t1)再执行store操作之前（store将变量值通过总线回写主内存需要时间），另外一个线程t2也执行了num++，此时num=1。此时，线程t1执行store操作，由于volatile关键字修饰变量，根据MESI缓存一致性协议，会执行lock前缀触发cpu总线嗅探机制将，其他线程，比如t2线程的num=1值失效。因此，对于t2线程来说，执行1000相加操作的值小于等于1000.其他线程类似，因此，num<=20000.