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每天給你誠意滿滿的干貨 來自： www.techug.com 這是中秋小長假為大家準(zhǔn)備的唯一一篇推送,。中秋節(jié)當(dāng)天會(huì)以海報(bào)的形式發(fā)布送書活動(dòng)的中獎(jiǎng)名單。祝大家節(jié)日快樂,，萬事勝意,！ 在Java相關(guān)的崗位面試中，很多面試官都喜歡考察面試者對(duì)Java并發(fā)的了解程度,，而以volatile關(guān)鍵字作為一個(gè)小的切入點(diǎn),，往往可以一問到底，把Java內(nèi)存模型（JMM）,，Java并發(fā)編程的一些特性都牽扯出來,，深入地話還可以考察JVM底層實(shí)現(xiàn)以及操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)。 關(guān)于Java并發(fā),說說你對(duì)volatile關(guān)鍵字的理解就我理解的而言,，被volatile修飾的共享變量,，就具有了以下兩點(diǎn)特性：
詳細(xì)說下什么是內(nèi)存可見性,，什么是重排序？這個(gè)聊起來可就多了,，我還是從Java內(nèi)存模型說起吧,。 Java虛擬機(jī)規(guī)范試圖定義一種Java內(nèi)存模型（JMM）,來屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，讓Java程序在各種平臺(tái)上都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問效果,。簡單來說，由于CPU執(zhí)行指令的速度是很快的,，但是內(nèi)存訪問的速度就慢了很多,，相差的不是一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以搞處理器的那群大佬們又在CPU里加了好幾層高速緩存,。 在Java內(nèi)存模型里,，對(duì)上述的優(yōu)化又進(jìn)行了一波抽象。JMM規(guī)定所有變量都是存在主存中的,，類似于上面提到的普通內(nèi)存,，每個(gè)線程又包含自己的工作內(nèi)存，方便理解就可以看成CPU上的寄存器或者高速緩存,。所以線程的操作都是以工作內(nèi)存為主,，它們只能訪問自己的工作內(nèi)存，且工作前后都要把值在同步回主內(nèi)存,。 這么說得我自己都有些不清楚了,，拿張紙畫一下： 在線程執(zhí)行時(shí)，首先會(huì)從主存中read變量值,，再load到工作內(nèi)存中的副本中,，然后再傳給處理器執(zhí)行，執(zhí)行完畢后再給工作內(nèi)存中的副本賦值,，隨后工作內(nèi)存再把值傳回給主存,，主存中的值才更新。 使用工作內(nèi)存和主存,，雖然加快的速度,，但是也帶來了一些問題。比如看下面一個(gè)例子： i = i 1; 假設(shè)i初值為0,，當(dāng)只有一個(gè)線程執(zhí)行它時(shí),，結(jié)果肯定得到1，當(dāng)兩個(gè)線程執(zhí)行時(shí),，會(huì)得到結(jié)果2嗎,？這倒不一定了?？赡艽嬖谶@種情況： 線程1： load i from 主存 // i = 0
i 1 // i = 1
線程2： load i from主存 // 因?yàn)榫€程1還沒將i的值寫回主存,，所以i還是0
i 1 //i = 1
線程1: save i to 主存
線程2： save i to 主存 如果兩個(gè)線程按照上面的執(zhí)行流程,，那么i最后的值居然是1了。如果最后的寫回生效的慢,，你再讀取i的值,，都可能是0，這就是緩存不一致問題,。 下面就要提到你剛才問到的問題了,，JMM主要就是圍繞著如何在并發(fā)過程中如何處理原子性、可見性和有序性這3個(gè)特征來建立的,，通過解決這三個(gè)問題,，可以解除緩存不一致的問題。而volatile跟可見性和有序性都有關(guān),。 可以具體說一說這三個(gè)特性嗎,？1.原子性(Atomicity)： Java中，對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的讀取和賦值操作是原子性操作,，所謂原子性操作就是指這些操作是不可中斷的,，要做一定做完，要么就沒有執(zhí)行,。 比如： i = 2;
j = i;i ;
i = i 1; 上面4個(gè)操作中,，i=2是讀取操作，必定是原子性操作,，j=i你以為是原子性操作,，其實(shí)吧，分為兩步,，一是讀取i的值,，然后再賦值給j,這就是2步操作了，稱不上原子操作,，i 和i = i 1其實(shí)是等效的,，讀取i的值，加1,，再寫回主存,，那就是3步操作了。 所以上面的舉例中,，最后的值可能出現(xiàn)多種情況,，就是因?yàn)闈M足不了原子性。 這么說來,，只有簡單的讀取,，賦值是原子操作，還只能是用數(shù)字賦值，用變量的話還多了一步讀取變量值的操作,。 有個(gè)例外是,，虛擬機(jī)規(guī)范中允許對(duì)64位數(shù)據(jù)類型(long和double)，分為2次32為的操作來處理,，但是最新JDK實(shí)現(xiàn)還是實(shí)現(xiàn)了原子操作的,。 JMM只實(shí)現(xiàn)了基本的原子性，像上面i 那樣的操作,，必須借助于synchronized和Lock來保證整塊代碼的原子性了,。線程在釋放鎖之前，必然會(huì)把i的值刷回到主存的,。 2. 可見性(Visibility)： 說到可見性,，Java就是利用volatile來提供可見性的。 當(dāng)一個(gè)變量被volatile修飾時(shí),，那么對(duì)它的修改會(huì)立刻刷新到主存，當(dāng)其它線程需要讀取該變量時(shí),，會(huì)去內(nèi)存中讀取新值,。而普通變量則不能保證這一點(diǎn)。 其實(shí)通過synchronized和Lock也能夠保證可見性,，線程在釋放鎖之前,，會(huì)把共享變量值都刷回主存，但是synchronized和Lock的開銷都更大,。
3. 有序性（Ordering） JMM是允許編譯器和處理器對(duì)指令重排序的,，但是規(guī)定了as-if-serial語義，即不管怎么重排序,，程序的執(zhí)行結(jié)果不能改變,。比如下面的程序段： double pi = 3.14; //A
double r = 1; //B
double s= pi * r * r;//C 上面的語句，可以按照A->B->C執(zhí)行,，結(jié)果為3.14,但是也可以按照B->A->C的順序執(zhí)行,，因?yàn)锳、B是兩句獨(dú)立的語句,，而C則依賴于A,、B，所以A,、B可以重排序,，但是C卻不能排到A、B的前面,。JMM保證了重排序不會(huì)影響到單線程的執(zhí)行,，但是在多線程中卻容易出問題。 比如這樣的代碼: int a = 0;
bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
} 假如有兩個(gè)線程執(zhí)行上述代碼段,，線程1先執(zhí)行write,，隨后線程2再執(zhí)行multiply,，最后ret的值一定是4嗎？結(jié)果不一定： 如圖所示,，write方法里的1和2做了重排序,，線程1先對(duì)flag賦值為true，隨后執(zhí)行到線程2,，ret直接計(jì)算出結(jié)果,，再到線程1，這時(shí)候a才賦值為2,很明顯遲了一步,。 這時(shí)候可以為flag加上volatile關(guān)鍵字,，禁止重排序，可以確保程序的有序性,，也可以上重量級(jí)的synchronized和Lock來保證有序性,它們能保證那一塊區(qū)域里的代碼都是一次性執(zhí)行完畢的,。 另外，JMM具備一些先天的有序性,即不需要通過任何手段就可以保證的有序性,，通常稱為happens-before原則,。<<JSR-133：Java Memory Model and Thread Specification>>定義了如下happens-before規(guī)則： 1.程序順序規(guī)則： 一個(gè)線程中的每個(gè)操作，happens-before于該線程中的任意后續(xù)操作 2.監(jiān)視器鎖規(guī)則：對(duì)一個(gè)線程的解鎖,，happens-before于隨后對(duì)這個(gè)線程的加鎖 3.volatile變量規(guī)則： 對(duì)一個(gè)volatile域的寫,，happens-before于后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀 4.傳遞性：如果A happens-before B ,且 B happens-before C, 那么 A happens-before C 5.start()規(guī)則： 如果線程A執(zhí)行操作ThreadB_start()(啟動(dòng)線程B) , 那么A線程的ThreadB_start()happens-before 于B中的任意操作 6.join()原則： 如果A執(zhí)行ThreadB.join()并且成功返回，那么線程B中的任意操作happens-before于線程A從ThreadB.join()操作成功返回,。 7.interrupt()原則： 對(duì)線程interrupt()方法的調(diào)用先行發(fā)生于被中斷線程代碼檢測到中斷事件的發(fā)生,，可以通過Thread.interrupted()方法檢測是否有中斷發(fā)生 8.finalize()原則：一個(gè)對(duì)象的初始化完成先行發(fā)生于它的finalize()方法的開始 第1條規(guī)則，程序順序規(guī)則是說在一個(gè)線程里,，所有的操作都是按順序的,，但是在JMM里其實(shí)只要執(zhí)行結(jié)果一樣，是允許重排序的,，這邊的happens-before強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)也是單線程執(zhí)行結(jié)果的正確性,，但是無法保證多線程也是如此。 第2條規(guī)則,，監(jiān)視器規(guī)則其實(shí)也好理解,，就是在加鎖之前，確定這個(gè)鎖之前已經(jīng)被釋放了,，才能繼續(xù)加鎖,。 第3條規(guī)則，就適用到所討論的volatile,，如果一個(gè)線程先去寫一個(gè)變量,，另外一個(gè)線程再去讀，那么寫入操作一定在讀操作之前。 第4條規(guī)則,，就是happens-before的傳遞性,。 后面幾條就不再一一贅述了。 volatile關(guān)鍵字如何滿足并發(fā)編程的三大特性,？ 那就要重提volatile變量規(guī)則： 對(duì)一個(gè)volatile域的寫,，happens-before于后續(xù)對(duì)這個(gè)volatile域的讀。 這條再拎出來說,，其實(shí)就是如果一個(gè)變量聲明成是volatile的,，那么當(dāng)我讀變量時(shí)，總是能讀到它的最新值,，這里最新值是指不管其它哪個(gè)線程對(duì)該變量做了寫操作,，都會(huì)立刻被更新到主存里，我也能從主存里讀到這個(gè)剛寫入的值,。也就是說volatile關(guān)鍵字可以保證可見性以及有序性,。 繼續(xù)拿上面的一段代碼舉例： int a = 0;
bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
} 這段代碼不僅僅受到重排序的困擾，即使1,、2沒有重排序,。3也不會(huì)那么順利的執(zhí)行的。假設(shè)還是線程1先執(zhí)行write操作,，線程2再執(zhí)行multiply操作，由于線程1是在工作內(nèi)存里把flag賦值為1,，不一定立刻寫回主存,，所以線程2執(zhí)行時(shí)，multiply再從主存讀flag值,，仍然可能為false,，那么括號(hào)里的語句將不會(huì)執(zhí)行。 如果改成下面這樣： int a = 0;
volatile bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
} 那么線程1先執(zhí)行write,線程2再執(zhí)行multiply,。根據(jù)happens-before原則,，這個(gè)過程會(huì)滿足以下3類規(guī)則： 程序順序規(guī)則：1 happens-before 2; 3 happens-before 4; (volatile限制了指令重排序，所以1 在2 之前執(zhí)行) volatile規(guī)則：2 happens-before 3 傳遞性規(guī)則：1 happens-before 4 當(dāng)寫一個(gè)volatile變量時(shí),，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存中的共享變量刷新到主內(nèi)存 當(dāng)讀一個(gè)volatile變量時(shí),，JMM會(huì)把該線程對(duì)應(yīng)的本地內(nèi)存置為無效，線程接下來將從主內(nèi)存中讀取共享變量,。 volatile的兩點(diǎn)內(nèi)存語義能保證可見性和有序性,，但是能保證原子性嗎？首先我回答是不能保證原子性,，要是說能保證,，也只是對(duì)單個(gè)volatile變量的讀/寫具有原子性，但是對(duì)于類似volatile 這樣的復(fù)合操作就無能為力了，比如下面的例子： public class Test {
public volatile int inc = 0;
public void increase() {
inc ;
}
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<1000;j )
test.increase();
};
}.start();
}
while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執(zhí)行完
Thread.yield();
System.out.println(test.inc);
} 按道理來說結(jié)果是10000,，但是運(yùn)行下很可能是個(gè)小于10000的值,。有人可能會(huì)說volatile不是保證了可見性啊，一個(gè)線程對(duì)inc的修改,，另外一個(gè)線程應(yīng)該立刻看到?。】墒沁@里的操作inc 是個(gè)復(fù)合操作啊,，包括讀取inc的值,，對(duì)其自增，然后再寫回主存,。 假設(shè)線程A,，讀取了inc的值為10，這時(shí)候被阻塞了,，因?yàn)闆]有對(duì)變量進(jìn)行修改,，觸發(fā)不了volatile規(guī)則。 線程B此時(shí)也讀讀inc的值,，主存里inc的值依舊為10,，做自增，然后立刻就被寫回主存了,，為11,。 此時(shí)又輪到線程A執(zhí)行，由于工作內(nèi)存里保存的是10,，所以繼續(xù)做自增,，再寫回主存，11又被寫了一遍,。所以雖然兩個(gè)線程執(zhí)行了兩次increase(),，結(jié)果卻只加了一次。 有人說,，volatile不是會(huì)使緩存行無效的嗎,？但是這里線程A讀取到線程B也進(jìn)行操作之前，并沒有修改inc值,，所以線程B讀取的時(shí)候,，還是讀的10。
又有人說,，線程B將11寫回主存,，不會(huì)把線程A的緩存行設(shè)為無效嗎？但是線程A的讀取操作已經(jīng)做過了啊,，只有在做讀取操作時(shí),，發(fā)現(xiàn)自己緩存行無效,，才會(huì)去讀主存的值，所以這里線程A只能繼續(xù)做自增了,。 綜上所述,，在這種復(fù)合操作的情景下，原子性的功能是維持不了了,。但是volatile在上面那種設(shè)置flag值的例子里,，由于對(duì)flag的讀/寫操作都是單步的，所以還是能保證原子性的,。 要想保證原子性,，只能借助于synchronized,Lock以及并發(fā)包下的atomic的原子操作類了，即對(duì)基本數(shù)據(jù)類型的 自增（加1操作）,，自減（減1操作）,、以及加法操作（加一個(gè)數(shù)），減法操作（減一個(gè)數(shù)）進(jìn)行了封裝,，保證這些操作是原子性操作,。 volatile底層的實(shí)現(xiàn)機(jī)制是什么？如果把加入volatile關(guān)鍵字的代碼和未加入volatile關(guān)鍵字的代碼都生成匯編代碼,，會(huì)發(fā)現(xiàn)加入volatile關(guān)鍵字的代碼會(huì)多出一個(gè)lock前綴指令,。 lock前綴指令實(shí)際相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障，內(nèi)存屏障提供了以下功能： 1.重排序時(shí)不能把后面的指令重排序到內(nèi)存屏障之前的位置 2.使得本CPU的Cache寫入內(nèi)存 ** **3.寫入動(dòng)作也會(huì)引起別的CPU或者別的內(nèi)核無效化其Cache,，相當(dāng)于讓新寫入的值對(duì)別的線程可見,。 你在哪里會(huì)使用到volatile，舉兩個(gè)例子呢,？1.狀態(tài)量標(biāo)記 就如上面對(duì)flag的標(biāo)記,，我重新提一下： int a = 0;
volatile bool flag = false;
public void write() {
a = 2; //1
flag = true; //2
}
public void multiply() {
if (flag) { //3
int ret = a * a;//4
}
} 這種對(duì)變量的讀寫操作，標(biāo)記為volatile可以保證修改對(duì)線程立刻可見,。比synchronized,Lock有一定的效率提升。 2.單例模式的實(shí)現(xiàn),，典型的雙重檢查鎖定（DCL） 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;
}
} 這是一種懶漢的單例模式,，使用時(shí)才創(chuàng)建對(duì)象，而且為了避免初始化操作的指令重排序,，給instance加上了volatile,。 |
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