`
hongwei3344661
  • 浏览: 31620 次
  • 性别: Icon_minigender_1
文章分类
社区版块
存档分类
最新评论

volatile

 
阅读更多

谈谈Java中的volatile

 

内存可见性

留意复合类操作

解决num++操作的原子性问题

禁止指令重排序

总结

内存可见性

  volatile是Java提供的一种轻量级的同步机制,在并发编程中,它也扮演着比较重要的角色。同synchronized相比(synchronized通常称为重量级锁),volatile更轻量级,相比使用synchronized所带来的庞大开销,倘若能恰当的合理的使用volatile,自然是美事一桩。

  为了能比较清晰彻底的理解volatile,我们一步一步来分析。首先来看看如下代码

复制代码
public class TestVolatile {
    boolean status = false;

    /**
     * 状态切换为true
     */
    public void changeStatus(){
        status = true;
    }

    /**
     * 若状态为true,则running。
     */
    public void run(){
        if(status){
            System.out.println("running....");
        }
    }
}
复制代码

  上面这个例子,在多线程环境里,假设线程A执行changeStatus()方法后,线程B运行run()方法,可以保证输出"running....."吗?

  答案是NO! 

  这个结论会让人有些疑惑,可以理解。因为倘若在单线程模型里,先运行changeStatus方法,再执行run方法,自然是可以正确输出"running...."的;但是在多线程模型中,是没法做这种保证的。因为对于共享变量status来说,线程A的修改,对于线程B来讲,是"不可见"的。也就是说,线程B此时可能无法观测到status已被修改为true。那么什么是可见性呢?

  所谓可见性,是指当一条线程修改了共享变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的。很显然,上述的例子中是没有办法做到内存可见性的。

  Java内存模型

  为什么出现这种情况呢,我们需要先了解一下JMM(java内存模型)

  java虚拟机有自己的内存模型(Java Memory Model,JMM),JMM可以屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异,以实现让java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。

  JMM决定一个线程对共享变量的写入何时对另一个线程可见,JMM定义了线程和主内存之间的抽象关系:共享变量存储在主内存(Main Memory)中,每个线程都有一个私有的本地内存(Local Memory),本地内存保存了被该线程使用到的主内存的副本拷贝,线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的变量。这三者之间的交互关系如下

 

  需要注意的是,JMM是个抽象的内存模型,所以所谓的本地内存,主内存都是抽象概念,并不一定就真实的对应cpu缓存和物理内存。当然如果是出于理解的目的,这样对应起来也无不可。

  大概了解了JMM的简单定义后,问题就很容易理解了,对于普通的共享变量来讲,比如我们上文中的status,线程A将其修改为true这个动作发生在线程A的本地内存中,此时还未同步到主内存中去;而线程B缓存了status的初始值false,此时可能没有观测到status的值被修改了,所以就导致了上述的问题。那么这种共享变量在多线程模型中的不可见性如何解决呢?比较粗暴的方式自然就是加锁,但是此处使用synchronized或者Lock这些方式太重量级了,有点炮打蚊子的意思。比较合理的方式其实就是volatile

  volatile具备两种特性,第一就是保证共享变量对所有线程的可见性。将一个共享变量声明为volatile后,会有以下效应:

    1.当写一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存中的变量强制刷新到主内存中去;

    2.这个写会操作会导致其他线程中的缓存无效。

上面的例子只需将status声明为volatile,即可保证在线程A将其修改为true时,线程B可以立刻得知

 volatile boolean status = false;

留意复合类操作

  但是需要注意的是,我们一直在拿volatile和synchronized做对比,仅仅是因为这两个关键字在某些内存语义上有共通之处,volatile并不能完全替代synchronized,它依然是个轻量级锁,在很多场景下,volatile并不能胜任。看下这个例子:

复制代码
package test;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

/**
 * Created by chengxiao on 2017/3/18.
 */
public class Counter {
    public static volatile int num = 0;
    //使用CountDownLatch来等待计算线程执行完
    static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
    public static void main(String []args) throws InterruptedException {
        //开启30个线程进行累加操作
        for(int i=0;i<30;i++){
            new Thread(){
                public void run(){
                    for(int j=0;j<10000;j++){
                        num++;//自加操作
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }.start();
        }
        //等待计算线程执行完
        countDownLatch.await();
        System.out.println(num);
    }
}
复制代码

执行结果:

224291

针对这个示例,一些同学可能会觉得疑惑,如果用volatile修饰的共享变量可以保证可见性,那么结果不应该是300000么?

问题就出在num++这个操作上,因为num++不是个原子性的操作,而是个复合操作。我们可以简单讲这个操作理解为由这三步组成:

  1.读取

  2.加一

  3.赋值

  所以,在多线程环境下,有可能线程A将num读取到本地内存中,此时其他线程可能已经将num增大了很多,线程A依然对过期的num进行自加,重新写到主存中,最终导致了num的结果不合预期,而是小于30000。

解决num++操作的原子性问题

  针对num++这类复合类的操作,可以使用java并发包中的原子操作类原子操作类是通过循环CAS的方式来保证其原子性的。

复制代码
/**
 * Created by chengxiao on 2017/3/18.
 */
public class Counter {
  //使用原子操作类
public static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0); //使用CountDownLatch来等待计算线程执行完 static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30); public static void main(String []args) throws InterruptedException { //开启30个线程进行累加操作 for(int i=0;i<30;i++){ new Thread(){ public void run(){ for(int j=0;j<10000;j++){ num.incrementAndGet();//原子性的num++,通过循环CAS方式 } countDownLatch.countDown(); } }.start(); } //等待计算线程执行完 countDownLatch.await(); System.out.println(num); } }
复制代码

执行结果

300000

关于原子类操作的基本原理,会在后面的章节进行介绍,此处不再赘述。

禁止指令重排序

volatile还有一个特性:禁止指令重排序优化。

重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行排序的一种手段。但是重排序也需要遵守一定规则:

  1.重排序操作不会对存在数据依赖关系的操作进行重排序。

    比如:a=1;b=a; 这个指令序列,由于第二个操作依赖于第一个操作,所以在编译时和处理器运行时这两个操作不会被重排序。

  2.重排序是为了优化性能,但是不管怎么重排序,单线程下程序的执行结果不能被改变

    比如:a=1;b=2;c=a+b这三个操作,第一步(a=1)和第二步(b=2)由于不存在数据依赖关系,所以可能会发生重排序,但是c=a+b这个操作是不会被重排序的,因为需要保证最终的结果一定是c=a+b=3。

  重排序在单线程模式下是一定会保证最终结果的正确性,但是在多线程环境下,问题就出来了,来开个例子,我们对第一个TestVolatile的例子稍稍改进,再增加个共享变量a

复制代码
public class TestVolatile {
    int a = 1;
    boolean status = false;

    /**
     * 状态切换为true
     */
    public void changeStatus(){
        a = 2;//1
        status = true;//2
    }

    /**
     * 若状态为true,则running。
     */
    public void run(){
        if(status){//3
            int b = a+1;//4
            System.out.println(b);
        }
    }
}
复制代码

  假设线程A执行changeStatus后,线程B执行run,我们能保证在4处,b一定等于3么?

  答案依然是无法保证!也有可能b仍然为2。上面我们提到过,为了提供程序并行度,编译器和处理器可能会对指令进行重排序,而上例中的1和2由于不存在数据依赖关系,则有可能会被重排序,先执行status=true再执行a=2。而此时线程B会顺利到达4处,而线程A中a=2这个操作还未被执行,所以b=a+1的结果也有可能依然等于2。

  使用volatile关键字修饰共享变量便可以禁止这种重排序。若用volatile修饰共享变量,在编译时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序

  volatile禁止指令重排序也有一些规则,简单列举一下:

  1.当第二个操作是voaltile写时,无论第一个操作是什么,都不能进行重排序

  2.当地一个操作是volatile读时,不管第二个操作是什么,都不能进行重排序

  3.当第一个操作是volatile写时,第二个操作是volatile读时,不能进行重排序

总结:

  简单总结下,volatile是一种轻量级的同步机制,它主要有两个特性:一是保证共享变量对所有线程的可见性;二是禁止指令重排序优化。同时需要注意的是,volatile对于单个的共享变量的读/写具有原子性,但是像num++这种复合操作,volatile无法保证其原子性,当然文中也提出了解决方案,就是使用并发包中的原子操作类,通过循环CAS地方式来保证num++操作的原子性。关于原子操作类,会在后续的文章进行介绍。

分享到:
| JMM
评论

相关推荐

    stm32 volatile变量的正确使用

    ### STM32中Volatile变量的正确使用 #### 概述 在嵌入式系统编程中,`volatile`关键字的正确使用对于确保程序的稳定性和可靠性至关重要。它主要用于标记那些可能在程序运行过程中被外部因素(如硬件中断、多线程...

    Volatile详解,深入学习Volatile

    《深入理解Volatile》 Volatile是C/C++编程语言中的一个关键字,它与const一起被称为"cv特性",用于指示变量的值可能被系统或其他线程/进程改变,从而强制编译器每次从内存中读取该变量的最新值。在多线程或嵌入式...

    volatile的用法讲解

    "volatile的用法讲解" volatile是一种特殊的变量修饰符,它告诉编译器,这个变量的值可能会被意外地改变,因此编译器不能对其进行优化,以确保每次读取该变量时都能获取最新的值。下面是volatile变量的使用场景: ...

    const,extern,static,volatile的使用

    ### const、extern、static、volatile 的使用详解 #### 一、const 的使用 **1. 为什么使用 const** `const` 关键字在 C 和 C++ 编程语言中非常常见,它用来声明一个常量或者指定某个变量的某个方面为不可变。使用...

    volatile的使用方法

    volatile 关键字在 C 语言中的使用方法 在 C 语言中,volatile 关键字是用来指定变量的存储类别的,它告诉编译器这个变量的值可能会在编译器不知道的情况下被修改,因此需要重新加载这个变量的值。volatile 关键字...

    const和volatile分析

    在C++编程语言中,`const`和`volatile`是两个非常重要的关键字,它们用于修饰变量,赋予变量特殊的属性。这两个关键字在理解程序的行为、内存模型以及多线程编程中起到至关重要的作用。在此,我们将深入探讨`const`...

    Java线程:volatile关键字

    Java 线程 volatile 关键字详解 Java™ 语言包含两种内在的同步机制:同步块(或方法)和 volatile 变量。volatile 变量的同步性较差,但它有时更简单并且开销更低。volatile 变量可以被看作是一种 “程度较轻的 ...

    volatile源码分析1

    【volatile源码分析1】 Java中的volatile关键字是一个关键的同步机制,它在多线程编程中扮演着重要的角色。在面试和技术讨论中,volatile经常成为焦点,但其工作原理却常常引发争议。本文将从JVM、C++以及汇编语言...

    单片机C语言中volatile的作用

    ### 单片机C语言中volatile的作用 在探讨单片机C语言中`volatile`关键字的作用之前,我们首先需要理解`volatile`的基本概念及其应用场景。`volatile`是一个用于声明变量的关键字,在C语言中,使用`volatile`修饰的...

    单片机中volatile定义的作用

    单片机中volatile定义的作用 单片机中volatile定义的作用是指在单片机编程中,使用volatile关键字来定义变量,使编译器认为该变量可能会被意外地改变,从而避免编译器对该变量的优化。这样,编译器将每次都重新读取...

    C#中volatile与lock用法

    本文实例讲述了C#中volatile与lock用法,分享给大家供大家参考。具体分析如下: 一、C#中volatile volatile是C#中用于控制同步的关键字,其意义是针对程序中一些敏感数据,不允许多线程同时访问,保证数据在任何访问...

    (*(volatile_unsigned_int_ *))

    ### 宏定义与`volatile`关键字的理解 #### 1. 宏定义的解析 在给定的代码片段中,我们看到一系列宏定义被用来访问硬件寄存器。这些宏定义通常用于嵌入式系统编程中,以便以一种类型安全且易于理解的方式访问硬件...

    C中volatile_const解析

    ### C中`volatile`与`const`解析 #### 概述 在C语言中,`volatile`和`const`是两个非常重要的关键字,它们在不同的场景下有着独特的用途。掌握这两个关键字不仅能够帮助开发者写出更加高效和可靠的代码,还能够在...

    volatile_unsigned_int

    标题“volatile_unsigned_int”以及描述“讲述了volatile_unsigned_int地址映射的使用说明”指向了C语言中特殊的关键词“volatile”以及其与“unsigned int”类型的结合使用。该知识点主要涉及硬件编程,特别是在...

    从汇编角度理解volatile

    《从汇编角度理解volatile》 volatile关键字在编程中扮演着重要的角色,它主要用于多线程编程和与硬件交互的场景。通常的理解是,volatile告诉编译器不要对某个变量进行优化,每次读取该变量时都直接从内存中获取,...

    单片机-#define XBYTE ((unsigned char volatile xdata *) 0)

    本文将围绕宏定义`#define XBYTE ((unsigned char volatile xdata *) 0)`展开,深入探讨其含义、作用以及应用场景。 #### 宏定义详解 宏定义`#define XBYTE ((unsigned char volatile xdata *) 0)`主要包含以下几...

    Java并发编程:volatile关键字解析

    ### Java并发编程:volatile关键字解析 #### 一、内存模型的相关概念 在深入了解`volatile`关键字之前,我们首先需要理解计算机内存模型的一些基本概念。在现代计算机系统中,CPU为了提高执行效率,会将频繁访问的...

    C语言中关于关键字volatile的用法

    在C语言中,关键字volatile是一个非常重要的修饰符,它在程序设计中起着不可替代的作用。volatile的主要目的是告诉编译器,它所修饰的变量是易变的,可能会在程序的控制之外被改变。因此,编译器在优化代码时,不能...

    static,const,volatile用法

    ### static、const、volatile用法解析 在编程领域中,`static`、`const`、`volatile` 这三个关键字非常常见且重要。它们分别用于控制变量的作用域、可变性和不可预测性,是理解程序行为的基础之一。下面将详细介绍...

Global site tag (gtag.js) - Google Analytics