Java并发编程、内存模型与Volatile

时间 2019-12-19

标签 java 并发编程内存模型 volatile 栏目 Java 繁體版

原文原文链接

http://www.importnew.com/24082.html volatile关键字html

http://www.importnew.com/16142.html ConcurrentHashMap原理分析java

http://www.importnew.com/19612.html Java内存模型c++

Java内存模型：编程

关键字：主存、工做内存；堆区、栈区（http://www.importnew.com/19612.html ）缓存

在Java Memory Model中，Memory分为两类，main memory和working memory，main memory为全部线程共享，working memory中存放的是线程所须要的变量的拷贝（线程要对main memory中的内容进行操做的话，首先须要拷贝到本身的working memory，通常为了速度，working memory通常是在cpu的cache中的）。volatile的变量在被操做的时候不会产生working memory的拷贝，而是直接操做main memory，固然volatile虽然解决了变量的可见性问题，但没有解决变量操做的原子性的问题，这个还须要synchronized或者CAS相关操做配合进行。多线程

Java内存模型规定了全部的变量都存储在主内存中。每条线程中还有本身的工做内存，线程的工做内存中保存了被该线程所使用到的变量（这些变量是从主内存中拷贝而来）。线程对变量的全部操做（读取，赋值）都必须在工做内存中进行。不一样线程之间也没法直接访问对方工做内存中的变量，线程间变量值的传递均须要经过主内存来完成。并发

并发编程的三大概念：原子性，有序性，可见性。app

可见性

也就说假设一个对象中有一个变量i，那么i是保存在main memory中的，当某一个线程要操做i的时候，首先须要从main memory中将i 加载到这个线程的working memory中，这个时候working memory中就有了一个i的拷贝，这个时候此线程对i的修改都在其working memory中，直到其将i从working memory写回到main memory中，新的i的值才能被其余线程所读取。从某个意义上说，可见性保证了各个线程的working memory的数据的一致性。可见性遵循下面一些规则：函数

当一个线程运行结束的时候，全部写的变量都会被flush回main memory中。
当一个线程第一次读取某个变量的时候，会从main memory中读取最新的。
volatile的变量会被马上写到main memory中的，在jsr133中，对volatile的语义进行加强，后面会提到
当一个线程释放锁后，全部的变量的变化都会flush到main memory中，而后一个使用了这个相同的同步锁的进程，将会从新加载全部的使用到的变量，这样就保证了可见性。

原子性

还拿上面的例子来讲，原子性就是当某一个线程修改i的值的时候，从取出i到将新的i的值写给i之间不能有其余线程对i进行任何操做。也就是说保证某个线程对i的操做是原子性的，这样就能够避免数据脏读。经过锁机制或者CAS（Compare And Set 须要硬件CPU的支持）操做能够保证操做的原子性。性能

有序性

假设在main memory中存在两个变量i和j，初始值都为0，在某个线程A的代码中依次对i和j进行自增操做（i，j的操做不相互依赖）

 
        i++; 
       
        j++;

因为，因此i,j修改操做的顺序可能会被从新排序。那么修改后的ij写到main memory中的时候，顺序可能就不是按照i，j的顺序了，这就是所谓的reordering，在单线程的状况下，当线程A运行结束的后i，j的值都加1了，在线程本身看来就好像是线程按照代码的顺序进行了运行（这些操做都是基于as-if-serial语义的），即便在实际运行过程当中，i，j的自增可能被从新排序了，固然计算机也不能帮你乱排序，存在上下逻辑关联的运行顺序确定仍是不会变的。可是在多线程环境下，问题就不同了，好比另外一个线程B的代码以下

 
        if 
        (j== 
        1 
        ) { 
       
        System.out.println(i); 
       
        }

按照咱们的思惟方式，当j为1的时候那么i确定也是1，由于代码中i在j以前就自增了，但实际的状况有可能当j为1的时候i仍是为0。这就是reordering产生的很差的后果，因此咱们在某些时候为了不这样的问题须要一些必要的策略，以保证多个线程一块儿工做的时候也存在必定的次序。JMM提供了happens-before 的排序策略。这样咱们能够获得多线程环境下的as-if-serial语义。这里不对happens-before进行详细解释了,详细的请看这里http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp03304/，这里主要讲一下volatile在新的java内存模型下的变化，在jsr133以前，下面的代码可能会出现问题

 
        Map configOptions; 
       
        char 
        [] configText; 
       
        volatile 
        boolean 
        initialized =  
        false 
        ; 
       
        // In Thread A 
       
        configOptions =  
        new 
        HashMap(); 
       
        configText = readConfigFile(fileName); 
       
        processConfigOptions(configText, configOptions); 
       
        initialized =  
        true 
        ; 
       
        // In Thread B 
       
        while 
        (!initialized)  
       
        sleep(); 
       
        // use configOptions

jsr133以前，虽然对 volatile 变量的读和写不能与对其余 volatile 变量的读和写一块儿从新排序，可是它们仍然能够与对 nonvolatile 变量的读写一块儿从新排序，因此上面的Thread A的操做，就可能initialized变成true的时候，而configOptions尚未被初始化，因此initialized先于configOptions被线程B看到，就产生问题了。

JSR 133 Expert Group 决定让 volatile 读写不能与其余内存操做一块儿从新排序，新的内存模型下，若是当线程 A 写入 volatile 变量 V 而线程 B 读取 V 时，那么在写入 V 时，A 可见的全部变量值如今均可以保证对 B 是可见的。

结果就是做用更大的 volatile 语义，代价是访问 volatile 字段时会对性能产生更大的影响。这一点在ConcurrentHashMap中的统计某个segment元素个数的count变量中使用到了。

深刻理解volatile关键字

1.volatile保证可见性

一旦一个共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量）被volatile修饰以后，那么就具有了两层语义：

1）保证了不一样线程对这个变量进行操做时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这新值对其余线程来讲是当即可见的。

2）禁止进行指令重排序。

先看一段代码，假如线程1先执行，线程2后执行：

 
        //线程1 
       
        boolean 
        stop =  
        false 
        ; 
       
        while 
        (!stop){ 
       
        doSomething(); 
       
        } 
       
        //线程2 
       
        stop =  
        true 
        ;

这段代码是很典型的一段代码，不少人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。可是事实上，这段代码会彻底运行正确么？即必定会将线程中断么？不必定，也许在大多数时候，这个代码可以把线程中断，可是也有可能会致使没法中断线程（虽然这个可能性很小，可是只要一旦发生这种状况就会形成死循环了）。

下面解释一下这段代码为什么有可能致使没法中断线程。在前面已经解释过，每一个线程在运行过程当中都有本身的工做内存，那么线程1在运行的时候，会将stop变量的值拷贝一份放在本身的工做内存当中。

那么当线程2更改了stop变量的值以后，可是还没来得及写入主存当中，线程2转去作其余事情了，那么线程1因为不知道线程2对stop变量的更改，所以还会一直循环下去。

可是用volatile修饰以后就变得不同了：

第一：使用volatile关键字会强制将修改的值当即写入主存；

第二：使用volatile关键字的话，当线程2进行修改时，会致使线程1的工做内存中缓存变量stop的缓存行无效（反映到硬件层的话，就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效）；

第三：因为线程1的工做内存中缓存变量stop的缓存行无效，因此线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时（固然这里包括2个操做，修改线程2工做内存中的值，而后将修改后的值写入内存），会使得线程1的工做内存中缓存变量stop的缓存行无效，而后线程1读取时，发现本身的缓存行无效，它会等待缓存行对应的主存地址被更新以后，而后去对应的主存读取最新的值。

那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

2.volatile不能确保原子性

下面看一个例子：

 
        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 
        )   
        //保证前面的线程都执行完 
       
        Thread.yield(); 
       
        System.out.println(test.inc); 
       
        } 
       
        }

你们想一下这段程序的输出结果是多少？也许有些朋友认为是10000。可是事实上运行它会发现每次运行结果都不一致，都是一个小于10000的数字。

可能有的朋友就会有疑问，不对啊，上面是对变量inc进行自增操做，因为volatile保证了可见性，那么在每一个线程中对inc自增完以后，在其余线程中都能看到修改后的值啊，因此有10个线程分别进行了1000次操做，那么最终inc的值应该是1000*10=10000。

这里面就有一个误区了，volatile关键字能保证可见性没有错，可是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值，可是volatile没办法保证对变量的操做的原子性。

在前面已经提到过，自增操做是不具有原子性的，它包括读取变量的原始值、进行加1操做、写入工做内存。那么就是说自增操做的三个子操做可能会分割开执行，就有可能致使下面这种状况出现：

假如某个时刻变量inc的值为10，

线程1对变量进行自增操做，线程1先读取了变量inc的原始值，而后线程1被阻塞了；

而后线程2对变量进行自增操做，线程2也去读取变量inc的原始值，因为线程1只是对变量inc进行读取操做，而没有对变量进行修改操做，因此不会致使线程2的工做内存中缓存变量inc的缓存行无效，也不会致使主存中的值刷新，因此线程2会直接去主存读取inc的值，发现inc的值时10，而后进行加1操做，并把11写入工做内存，最后写入主存。

而后线程1接着进行加1操做，因为已经读取了inc的值，注意此时在线程1的工做内存中inc的值仍然为10，因此线程1对inc进行加1操做后inc的值为11，而后将11写入工做内存，最后写入主存。

那么两个线程分别进行了一次自增操做后，inc只增长了1。

根源就在这里，自增操做不是原子性操做，并且volatile也没法保证对变量的任何操做都是原子性的。

解决方案：能够经过synchronized或lock，进行加锁，来保证操做的原子性。也能够经过AtomicInteger。

在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操做类，即对基本数据类型的自增（加1操做），自减（减1操做）、以及加法操做（加一个数），减法操做（减一个数）进行了封装，保证这些操做是原子性操做。atomic是利用CAS来实现原子性操做的（Compare And Swap），CAS其实是利用处理器提供的CMPXCHG指令实现的，而处理器执行CMPXCHG指令是一个原子性操做。

3.volatile保证有序性

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序，因此volatile能在必定程度上保证有序性。

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思：

1）当程序执行到volatile变量的读操做或者写操做时，在其前面的操做的更改确定所有已经进行，且结果已经对后面的操做可见；在其后面的操做确定尚未进行；

2）在进行指令优化时，不能将在对volatile变量的读操做或者写操做的语句放在其后面执行，也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

可能上面说的比较绕，举个简单的例子：

 
        //x、y为非volatile变量 
       
        //flag为volatile变量 
       
        x =  
        2 
        ;         
        //语句1 
       
        y =  
        0 
        ;         
        //语句2 
       
        flag =  
        true 
        ;   
        //语句3 
       
        x =  
        4 
        ;          
        //语句4 
       
        y = - 
        1 
        ;        
        //语句5

因为flag变量为volatile变量，那么在进行指令重排序的过程的时候，不会将语句3放到语句一、语句2前面，也不会讲语句3放到语句四、语句5后面。可是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不做任何保证的。

而且volatile关键字能保证，执行到语句3时，语句1和语句2一定是执行完毕了的，且语句1和语句2的执行结果对语句三、语句四、语句5是可见的。

那么咱们回到前面举的一个例子：

 
        //线程1: 
       
        context = loadContext();    
        //语句1 
       
        inited =  
        true 
        ;              
        //语句2 
       
        //线程2: 
       
        while 
        (!inited ){ 
       
        sleep() 
       
        } 
       
        doSomethingwithconfig(context);

前面举这个例子的时候，提到有可能语句2会在语句1以前执行，那么久可能致使context还没被初始化，而线程2中就使用未初始化的context去进行操做，致使程序出错。

这里若是用volatile关键字对inited变量进行修饰，就不会出现这种问题了，由于当执行到语句2时，一定能保证context已经初始化完毕。

volatile的实现原理

1.可见性

处理器为了提升处理速度，不直接和内存进行通信，而是将系统内存的数据独到内部缓存后再进行操做，但操做完后不知何时会写到内存。

若是对声明了volatile变量进行写操做时，JVM会向处理器发送一条Lock前缀的指令，将这个变量所在缓存行的数据写会到系统内存。这一步确保了若是有其余线程对声明了volatile变量进行修改，则当即更新主内存中数据。

但这时候其余处理器的缓存仍是旧的，因此在多处理器环境下，为了保证各个处理器缓存一致，每一个处理会经过嗅探在总线上传播的数据来检查本身的缓存是否过时，当处理器发现本身缓存行对应的内存地址被修改了，就会将当前处理器的缓存行设置成无效状态，当处理器要对这个数据进行修改操做时，会强制从新从系统内存把数据读处处理器缓存里。这一步确保了其余线程得到的声明了volatile变量都是从主内存中获取最新的。

2.有序性

Lock前缀指令实际上至关于一个内存屏障（也成内存栅栏），它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障以前的位置，也不会把前面的指令排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操做已经所有完成。

volatile的应用场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码，那么就会很影响程序执行效率，而volatile关键字在某些状况下性能要优于synchronized，可是要注意volatile关键字是没法替代synchronized关键字的，由于volatile关键字没法保证操做的原子性。一般来讲，使用volatile必须具有如下2个条件：

1）对变量的写操做不依赖于当前值

2）该变量没有包含在具备其余变量的不变式中

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

①.状态标记量

 
        volatile 
        boolean 
        flag =  
        false 
        ; 
       
        //线程1 
       
        while 
        (!flag){ 
       
        doSomething(); 
       
        } 
       
        //线程2 
       
        public 
        void 
        setFlag() { 
       
        flag =  
        true 
        ; 
       
        }

根据状态标记，终止线程。

②.单例模式中的double check

 
        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; 
       
        } 
       
        }

为何要使用volatile 修饰instance？

主要在于instance = new Singleton()这句，这并不是是一个原子操做，事实上在 JVM 中这句话大概作了下面 3 件事情:

1.给 instance 分配内存

2.调用 Singleton 的构造函数来初始化成员变量

3.将instance对象指向分配的内存空间（执行完这步 instance 就为非 null 了）。

可是在 JVM 的即时编译器中存在指令重排序的优化。也就是说上面的第二步和第三步的顺序是不能保证的，最终的执行顺序多是 1-2-3 也多是 1-3-2。若是是后者，则在 3 执行完毕、2 未执行以前，被线程二抢占了，这时 instance 已是非 null 了（但却没有初始化），因此线程二会直接返回 instance，而后使用，而后瓜熟蒂落地报错。