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Java并发——volatile的原理

简介: volatile关键字就是Java中提供的另一种解决可见性和有序性问题的方案。对于原子性,需要强调一点,也是大家容易误解的一点:对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的,如long和double类型变量,但是并不能保证i++这种操作的原子性,因为本质上i++是读、写两次操作。

volatile关键字就是Java中提供的另一种解决可见性和有序性问题的方案。对于原子性,需要强调一点,也是大家容易误解的一点:对volatile变量的单次读/写操作可以保证原子性的,如long和double类型变量,但是并不能保证i++这种操作的原子性,因为本质上i++是读、写两次操作。

1 volatile的原理

1.1 可见性

在前文中已经提及过,线程本身并不直接与主内存进行数据的交互,而是通过线程的工作内存来完成相应的操作。这也是导致线程间数据不可见的本质原因。因此要实现volatile变量的可见性,直接从这方面入手即可。对volatile变量的写操作与普通变量的主要区别有两点:

  • 修改volatile变量时会强制将修改后的值刷新的主内存中
  • 修改volatile变量后会导致其他线程工作内存中对应的变量值失效。因此,再读取该变量值的时候就需要重新从读取主内存中的值。

通过这两个操作,就可以解决volatile变量的可见性问题。

1.2 原子性

volatile只能保证对单次读/写的原子性。因为long和double两种数据类型的操作可分为高32位和低32位两部分,因此普通的long或double类型读/写可能不是原子的。因此,鼓励大家将共享的long和double变量设置为volatile类型,这样能保证任何情况下对long和double的单次读/写操作都具有原子性。

1.3 顺序性

在解释这个问题前,我们先来了解一下Java中的happen-before规则:如果a happen-before b,则a所做的任何操作对b是可见的。

JSR 133中定义的happen-before规则有:

  • 同一个线程中的,前面的操作 happen-before 后续的操作。(即单线程内按代码顺序执行。但是,在不影响在单线程环境执行结果的前提下,编译器和处理器可以进行重排序,这是合法的。换句话说,这一是规则无法保证编译重排和指令重排)
  • 监视器上的解锁操作 happen-before 其后续的加锁操作。(Synchronized 规则)
  • 对volatile变量的写操作 happen-before 后续的读操作。(volatile 规则)
  • 线程的start() 方法 happen-before 该线程所有的后续操作。(线程启动规则)
  • 线程所有的操作 happen-before 其他线程在该线程上调用 join 返回成功后的操作
  • 如果 a happen-before b,b happen-before c,则a happen-before c(传递性)

1.4 内存屏障

为了实现volatile可见性和happen-befor的语义。JVM底层是通过一个叫做“内存屏障”的东西来完成。内存屏障,也叫做内存栅栏,是一组处理器指令,用于实现对内存操作的顺序限制。下面是完成上述规则所要求的内存屏障:

  • LoadLoad 屏障

执行顺序:Load1—>Loadload—>Load2

确保Load2及后续Load指令加载数据之前能访问到Load1加载的数据。

  • StoreStore 屏障

执行顺序:Store1—>StoreStore—>Store2

确保Store2以及后续Store指令执行前,Store1操作的数据对其它处理器可见。

  • LoadStore 屏障

执行顺序: Load1—>LoadStore—>Store2

确保Store2和后续Store指令执行前,可以访问到Load1加载的数据。

  • StoreLoad 屏障

执行顺序: Store1—> StoreLoad—>Load2

确保Load2和后续的Load指令读取之前,Store1的数据对其他处理器是可见的。

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