1.并發(fā)編程中的三個概念

在并發(fā)編程中，我們通常會遇到以下三個問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題厂镇。我們先看具體看一下這三個概念：

原子性：即一個操作或者多個操作 要么全部執(zhí)行并且執(zhí)行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執(zhí)行左刽。

可見性：是指當(dāng)多個線程訪問同一個變量時捺信，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值悠反。

//線程1執(zhí)行的代碼
int i = 0;
i = 10;

//線程2執(zhí)行的代碼
j = I;

假若執(zhí)行線程1的是CPU1残黑，執(zhí)行線程2的是CPU2馍佑。由上面的分析可知，當(dāng)線程1執(zhí)行 i =10這句時梨水，會先把i的初始值加載到CPU1的高速緩存中拭荤，然后賦值為10，那么在CPU1的高速緩存當(dāng)中i的值變?yōu)?0了疫诽，卻沒有立即寫入到主存當(dāng)中舅世。此時線程2執(zhí)行 j = i，它會先去主存讀取i的值并加載到CPU2的緩存當(dāng)中奇徒，注意此時內(nèi)存當(dāng)中i的值還是0雏亚，那么就會使得j的值為0，而不是10.

這就是可見性問題摩钙，線程1對變量i修改了之后罢低，線程2沒有立即看到線程1修改的值。

有序性：即程序執(zhí)行的順序按照代碼的先后順序執(zhí)行胖笛。

//線程1:
context = loadContext();   //語句1
inited = true;             //語句2

//線程2:
while(!inited ){
  sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

上面代碼中网持，由于語句1和語句2沒有數(shù)據(jù)依賴性，因此可能會被重排序长踊。假如發(fā)生了重排序功舀，在線程1執(zhí)行過程中先執(zhí)行語句2，而此是線程2會以為初始化工作已經(jīng)完成身弊，那么就會跳出while循環(huán)辟汰，去執(zhí)行doSomethingwithconfig(context)方法，而此時context并沒有被初始化阱佛，就會導(dǎo)致程序出錯帖汞。
從上面可以看出，指令重排序不會影響單個線程的執(zhí)行瘫絮，但是會影響到線程并發(fā)執(zhí)行的正確性涨冀。也就是說，要想并發(fā)程序正確地執(zhí)行麦萤，必須要保證原子性、可見性以及有序性扁眯。只要有一個沒有被保證壮莹，就有可能會導(dǎo)致程序運行不正確。

2.volatile關(guān)鍵字的兩層語義

一旦一個共享變量（類的成員變量姻檀、類的靜態(tài)成員變量）被volatile修飾之后命满，那么就具備了兩層語義：

• 保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值绣版，這新值對其他線程來說是立即可見的胶台。
• 禁止進行指令重排序歼疮。

假如線程1先執(zhí)行，線程2后執(zhí)行：

//線程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}

//線程2
stop = true;

使用volatile修飾之后：

• 1诈唬、使用volatile關(guān)鍵字會強制將修改的值立即寫入主存韩脏；

• 2、使用volatile關(guān)鍵字的話铸磅，當(dāng)線程2進行修改時赡矢，會導(dǎo)致線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效（反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應(yīng)的緩存行無效）阅仔；

• 3吹散、由于線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取八酒。

那么在線程2修改stop值時（當(dāng)然這里包括2個操作空民，修改線程2工作內(nèi)存中的值，然后將修改后的值寫入內(nèi)存）羞迷，會使得線程1的工作內(nèi)存中緩存變量stop的緩存行無效界轩，然后線程1讀取時，發(fā)現(xiàn)自己的緩存行無效闭树，它會等待緩存行對應(yīng)的主存地址被更新之后耸棒，然后去對應(yīng)的主存讀取最新的值柒啤。線程1讀取到的就是最新的正確的值婚温。

3.volatile保證內(nèi)存可見性

對于可見性，Java提供了volatile關(guān)鍵字來保證可見性眼溶。

當(dāng)一個共享變量被volatile修飾時碍现，它會保證修改的值會立即被更新到主存幅疼，當(dāng)有其他線程需要讀取時，它會去內(nèi)存中讀取新值昼接。

而普通的共享變量不能保證可見性爽篷，因為普通共享變量被修改之后，什么時候被寫入主存是不確定的慢睡，當(dāng)其他線程去讀取時逐工，此時內(nèi)存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性漂辐。

另外泪喊，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然后執(zhí)行同步代碼髓涯，并且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當(dāng)中袒啼。因此可以保證可見性。

image.png

4.volatile禁止指令重排

volatile關(guān)鍵字提供內(nèi)存屏障的方式來防止指令被重排，編譯器在生成字節(jié)碼文件時蚓再，會在指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序滑肉。

在Java內(nèi)存模型中說過，為了性能優(yōu)化摘仅，編譯器和處理器會進行指令重排序靶庙；也就是說java程序天然的有序性可以總結(jié)為：如果在本線程內(nèi)觀察，所有的操作都是有序的实檀；如果在一個線程觀察另一個線程惶洲，所有的操作都是無序的。在單例模式的實現(xiàn)上有一種雙重檢驗鎖定的方式（Double-checked Locking）膳犹。代碼如下：

public class Singleton {
    private Singleton() { }
    private volatile static Singleton instance;
    public Singleton getInstance(){
        if(instance==null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(instance==null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

這里為什么要加volatile了恬吕？我們先來分析一下不加volatile的情況，有問題的語句是這條：instance = new Singleton();
這條語句實際上包含了三個操作：

• 1.分配對象的內(nèi)存空間须床；
• 2.初始化對象铐料；
• 3.設(shè)置instance指向剛分配的內(nèi)存地址。但由于存在重排序的問題豺旬，可能有以下的執(zhí)行順序：

image

如果2和3進行了重排序的話钠惩，線程B進行判斷if(instance==null)時就會為true，而實際上這個instance并沒有初始化成功族阅，顯而易見對線程B來說之后的操作就會是錯的篓跛。而用volatile修飾的話就可以禁止2和3操作重排序，從而避免這種情況坦刀。volatile包含禁止指令重排序的語義愧沟，其具有有序性。

通過生成匯編代碼鲤遥，可以清晰的看到加入volatile和未加入volatile的差別沐寺。volatile變量修飾的共享變量，在進行寫操作的時候會多出一個lock前綴的匯編指令盖奈，這個指令會觸發(fā)總線鎖或者緩存鎖混坞，通過緩存一致性協(xié)議來解決可見性問題。（可從Java內(nèi)存模型簡介了解緩存一致性協(xié)議）

0x01a3de1d:movb $0x0,0x1104800(%esi)  ; ...c6860048 100100
0x01a3de24:lock addl $0x0,(%esp)  ; ...f0830424 00

再比如下邊的例子

image.png

5.volatile如何保證有序性

• 在分析保證有序性前钢坦，有必要了解一下內(nèi)存屏障究孕。內(nèi)存屏障（Memory Barriers，Intel稱之Memory Fence）指令是指爹凹，重排序時不能把后面的指令重排序到內(nèi)存屏障之前的位置蚊俺。CPU把內(nèi)存屏障分成三類：寫屏障(store barrier)、讀屏障(load barrier)和全屏障(Full Barrier)逛万。

• 寫屏障store barrier相當(dāng)于storestore barrier, 強制所有在storestore內(nèi)存屏障之前的所有執(zhí)行，都要在該內(nèi)存屏障之前執(zhí)行，并發(fā)送緩存失效的信號宇植。所有在storestore barrier指令之后的store指令得封，都必須在storestore barrier屏障之前的指令執(zhí)行完后再被執(zhí)行。

讀屏障load barrier相當(dāng)于loadload barrier指郁，強制所有在load barrier讀屏障之后的load指令忙上，都在loadbarrier屏障之后執(zhí)行。

全屏障full barrier相當(dāng)于storeload闲坎，是一個全能型的屏障疫粥，因為它同時具備前面兩種屏障的效果。強制了所有在storeload barrier之前的store/load指令腰懂，都在該屏障之前被執(zhí)行梗逮，所有在該屏障之后的的store/load指令，都在該屏障之后被執(zhí)行绣溜。

在JMM中把內(nèi)存屏障指令分為4類：

• LoadLoad Barriers慷彤，load1 ; LoadLoad; load2 ，確保load1數(shù)據(jù)的裝載優(yōu)先于load2及所有后續(xù)裝載指令的裝載怖喻。
• StoreStore Barriers底哗，store1; storestore;store2 ，確保store1數(shù)據(jù)對其他處理器可見優(yōu)先于store2及所有后續(xù)存儲指令的存儲锚沸。
• LoadStore Barries跋选， load1;loadstore;store2，確保load1數(shù)據(jù)裝載優(yōu)先于store2以及后續(xù)的存儲指令刷新到內(nèi)存哗蜈。
• StoreLoad Barries前标， store1; storeload;load2， 確保store1數(shù)據(jù)對其他處理器變得可見恬叹， 優(yōu)先于load2及所有后續(xù)裝載指令的裝載候生；這條內(nèi)存屏障指令是一個全能型的屏障同時具有其他3條屏障的效果。

編譯器在生成字節(jié)碼時绽昼，會在volatile指令序列中插入內(nèi)存屏障來禁止特定類型的處理器重排序唯鸭。對于編譯器來說，發(fā)現(xiàn)一個最優(yōu)布置來最小化插入屏障的總數(shù)幾乎不可能硅确。為此目溉，JMM采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM內(nèi)存屏障插入策略菱农。

• 在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障缭付。
• 在每個volatile寫操作的后面插入一個StoreLoad屏障。
• 在每個volatile讀操作的前面插入一個LoadLoad屏障循未。
• 在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadStore屏障陷猫。

6.volatile無法保證原子性

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);
    }
}

自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。

把上面的代碼改成以下任何一種都可以達到效果：

（1）采用synchronized

public class Test {
    public  int inc = 0;
    
    public synchronized 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);
    }
}

（2）采用Lock：

public class Test {
    public  int inc = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    
    public  void increase() {
        lock.lock();
        try {
            inc++;
        } finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    
    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);
    }
}

7.volatile的原理和實現(xiàn)機制

前面講述了源于volatile關(guān)鍵字的一些使用绣檬，下面我們來探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的足陨。

“觀察加入volatile關(guān)鍵字和沒有加入volatile關(guān)鍵字時所生成的匯編代碼發(fā)現(xiàn)，加入volatile關(guān)鍵字時娇未，會多出一個lock前綴指令”lock前綴指令實際上相當(dāng)于一個內(nèi)存屏障（也成內(nèi)存柵欄）墨缘，內(nèi)存屏障會提供3個功能：

• 它確保指令重排序時不會把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面零抬；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時镊讼，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；
• 它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存平夜；
• 如果是寫操作蝶棋，它會導(dǎo)致其他CPU中對應(yīng)的緩存行無效。

8.volatile適用場景

• synchronized關(guān)鍵字是防止多個線程同時執(zhí)行一段代碼褥芒，那么就會很影響程序執(zhí)行效率嚼松，而volatile關(guān)鍵字在某些情況下性能要優(yōu)于synchronized，是一種比synchronized 關(guān)鍵字更輕量級的同步機制锰扶。但是要注意volatile關(guān)鍵字是無法替代synchronized關(guān)鍵字的献酗，因為volatile關(guān)鍵字無法保證操作的原子性。通常來說坷牛，使用volatile必須具備以下2個條件：

  • 對變量的寫操作不依賴于當(dāng)前值
  • 該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中

• 實際上罕偎，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立于任何程序的狀態(tài)京闰，包括變量的當(dāng)前狀態(tài)颜及。上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關(guān)鍵字的程序在并發(fā)時能夠正確執(zhí)行蹂楣。

9.思維導(dǎo)圖如下：

詳情介紹:

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