內(nèi)存可見性

　　volatile是Java提供的一種輕量級的同步機制，在并發(fā)編程中，它也扮演著比較重要的角色。同synchronized相比（synchronized通常稱為重量級鎖），volatile更輕量級，相比使用synchronized時引起的線程上下文切換所帶來的龐大開銷，倘若能恰當?shù)暮侠淼氖褂胿olatile，自然是美事一樁。

　　為了能比較清晰徹底的理解volatile，我們一步一步來分析。首先來看看如下代碼

public class TestVolatile {
 boolean status = false;
 /**
  * 狀態(tài)切換為true
  */
 public void changeStatus(){
  status = true;
 }
 /**
  * 若狀態(tài)為true，則running。
  */
 public void run(){
  if(status){
   System.out.println("running....");
  }
 }
}

　　上面這個例子，在多線程環(huán)境里，假設線程A執(zhí)行changeStatus()方法后,線程B運行run()方法，可以保證輸出"running....."嗎？

　　答案是NO!

　　這個結(jié)論會讓人有些疑惑，可以理解。因為倘若在單線程模型里，先運行changeStatus方法，再執(zhí)行run方法，自然是可以正確輸出"running...."的；但是在多線程模型中，是沒法做這種保證的。因為對于共享變量status來說，線程A的修改，對于線程B來講，是"不可見"的。也就是說，線程B此時可能無法觀測到status已被修改為true。那么什么是可見性呢？

　　所謂可見性，是指當一條線程修改了共享變量的值，新值對于其他線程來說是可以立即得知的。很顯然，上述的例子中是沒有辦法做到內(nèi)存可見性的。

　　Java內(nèi)存模型

　　為什么出現(xiàn)這種情況呢，我們需要先了解一下JMM（java內(nèi)存模型）

　　java虛擬機有自己的內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM），JMM可以屏蔽掉各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問差異，以實現(xiàn)讓java程序在各種平臺下都能達到一致的內(nèi)存訪問效果。

　　JMM決定一個線程對共享變量的寫入何時對另一個線程可見，JMM定義了線程和主內(nèi)存之間的抽象關系：共享變量存儲在主內(nèi)存(Main Memory)中，每個線程都有一個私有的本地內(nèi)存（Local Memory），本地內(nèi)存保存了被該線程使用到的主內(nèi)存的副本拷貝，線程對變量的所有操作都必須在工作內(nèi)存中進行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。這三者之間的交互關系如下

　　需要注意的是，JMM是個抽象的內(nèi)存模型，所以所謂的本地內(nèi)存，主內(nèi)存都是抽象概念，并不一定就真實的對應cpu緩存和物理內(nèi)存。當然如果是出于理解的目的，這樣對應起來也無不可。

　　大概了解了JMM的簡單定義后，問題就很容易理解了，對于普通的共享變量來講，比如我們上文中的status，線程A將其修改為true這個動作發(fā)生在線程A的本地內(nèi)存中，此時還未同步到主內(nèi)存中去；而線程B緩存了status的初始值false，此時可能沒有觀測到status的值被修改了，所以就導致了上述的問題。那么這種共享變量在多線程模型中的不可見性如何解決呢？比較粗暴的方式自然就是加鎖，但是此處使用synchronized或者Lock這些方式太重量級了，有點炮打蚊子的意思。比較合理的方式其實就是volatile

　　volatile具備兩種特性，第一就是保證共享變量對所有線程的可見性。將一個共享變量聲明為volatile后，會有以下效應：

　　　　1.當寫一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內(nèi)存中的變量強制刷新到主內(nèi)存中去；

　　　　2.這個寫會操作會導致其他線程中的緩存無效。

上面的例子只需將status聲明為volatile，即可保證在線程A將其修改為true時，線程B可以立刻得知

 volatile boolean status = false;

留意復合類操作

　　但是需要注意的是，我們一直在拿volatile和synchronized做對比，僅僅是因為這兩個關鍵字在某些內(nèi)存語義上有共通之處，volatile并不能完全替代synchronized，它依然是個輕量級鎖，在很多場景下，volatile并不能勝任?？聪逻@個例子：

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來等待計算線程執(zhí)行完
 static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
 public static void main(String []args) throws InterruptedException {
  //開啟30個線程進行累加操作
  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();
  }
  //等待計算線程執(zhí)行完
  countDownLatch.await();
  System.out.println(num);
 }
}

執(zhí)行結(jié)果：

224291

針對這個示例，一些同學可能會覺得疑惑，如果用volatile修飾的共享變量可以保證可見性，那么結(jié)果不應該是300000么?

問題就出在num++這個操作上，因為num++不是個原子性的操作，而是個復合操作。我們可以簡單講這個操作理解為由這三步組成:

　　1.讀取

　　2.加一

　　3.賦值

　　所以，在多線程環(huán)境下，有可能線程A將num讀取到本地內(nèi)存中，此時其他線程可能已經(jīng)將num增大了很多，線程A依然對過期的num進行自加，重新寫到主存中，最終導致了num的結(jié)果不合預期，而是小于30000。

解決num++操作的原子性問題

　　針對num++這類復合類的操作，可以使用java并發(fā)包中的原子操作類原子操作類是通過循環(huán)CAS的方式來保證其原子性的。

/**
 * Created by chengxiao on 2017/3/18.
 */
public class Counter {
　　//使用原子操作類
 public static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
 //使用CountDownLatch來等待計算線程執(zhí)行完
 static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(30);
 public static void main(String []args) throws InterruptedException {
  //開啟30個線程進行累加操作
  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++,通過循環(huán)CAS方式
     }
     countDownLatch.countDown();
    }
   }.start();
  }
  //等待計算線程執(zhí)行完
  countDownLatch.await();
  System.out.println(num);
 }
}

執(zhí)行結(jié)果

300000
關于原子類操作的基本原理，會在后面的章節(jié)進行介紹，此處不再贅述。

禁止指令重排序

volatile還有一個特性：禁止指令重排序優(yōu)化。

重排序是指編譯器和處理器為了優(yōu)化程序性能而對指令序列進行排序的一種手段。但是重排序也需要遵守一定規(guī)則：

　　1.重排序操作不會對存在數(shù)據(jù)依賴關系的操作進行重排序。

　　　　比如：a=1;b=a; 這個指令序列，由于第二個操作依賴于第一個操作，所以在編譯時和處理器運行時這兩個操作不會被重排序。

　　2.重排序是為了優(yōu)化性能，但是不管怎么重排序，單線程下程序的執(zhí)行結(jié)果不能被改變

　　　　比如：a=1;b=2;c=a+b這三個操作，第一步（a=1)和第二步(b=2)由于不存在數(shù)據(jù)依賴關系，所以可能會發(fā)生重排序，但是c=a+b這個操作是不會被重排序的，因為需要保證最終的結(jié)果一定是c=a+b=3。

　　重排序在單線程模式下是一定會保證最終結(jié)果的正確性，但是在多線程環(huán)境下，問題就出來了，來開個例子，我們對第一個TestVolatile的例子稍稍改進，再增加個共享變量a

public class TestVolatile {
 int a = 1;
 boolean status = false;
 /**
  * 狀態(tài)切換為true
  */
 public void changeStatus(){
  a = 2;//1
  status = true;//2
 }
 /**
  * 若狀態(tài)為true，則running。
  */
 public void run(){
  if(status){//3
   int b = a+1;//4
   System.out.println(b);
  }
 }
}

　　假設線程A執(zhí)行changeStatus后，線程B執(zhí)行run，我們能保證在4處，b一定等于3么？

　　答案依然是無法保證！也有可能b仍然為2。上面我們提到過，為了提供程序并行度，編譯器和處理器可能會對指令進行重排序，而上例中的1和2由于不存在數(shù)據(jù)依賴關系，則有可能會被重排序，先執(zhí)行status=true再執(zhí)行a=2。而此時線程B會順利到達4處，而線程A中a=2這個操作還未被執(zhí)行，所以b=a+1的結(jié)果也有可能依然等于2。

　　使用volatile關鍵字修飾共享變量便可以禁止這種重排序。若用volatile修飾共享變量，在編譯時，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

　　volatile禁止指令重排序也有一些規(guī)則，簡單列舉一下：

　　1.當?shù)诙€操作是voaltile寫時，無論第一個操作是什么，都不能進行重排序

　　2.當?shù)匾粋€操作是volatile讀時，不管第二個操作是什么，都不能進行重排序

　　3.當?shù)谝粋€操作是volatile寫時，第二個操作是volatile讀時，不能進行重排序

總結(jié)：

　　簡單總結(jié)下，volatile是一種輕量級的同步機制，它主要有兩個特性：一是保證共享變量對所有線程的可見性；二是禁止指令重排序優(yōu)化。同時需要注意的是，volatile對于單個的共享變量的讀/寫具有原子性，但是像num++這種復合操作，volatile無法保證其原子性，當然文中也提出了解決方案，就是使用并發(fā)包中的原子操作類，通過循環(huán)CAS地方式來保證num++操作的原子性。關于原子操作類，會在后續(xù)的文章進行介紹。大家敬請關注腳本之家網(wǎng)站！

最新評論