关于volatile与指令重排序的探讨

简介: 关于volatile与指令重排序的探讨

写在开头

在之前的学习我们了解到,为了充分利用缓存,提高程序的执行速度,编译器在底层执行的时候,会进行指令重排序的优化操作,但这种优化,在有些时候会带来 有序性 的问题。

那何为有序性呢?我们可以通俗理解为:程序执行的顺序要按照代码的先后顺序。 当然,之前我们还说过发生有序性问题时,我们可以通过给变量添加volatile修饰符进行解决。那么今天,我们继续学习,一起探讨一下volatile与指令重排之间的冤家路窄!

有序性问题

首先,我们来回顾一下之前写的一个关于有序性问题的测试类。

【代码示例1】

int a = 1;(1)
int b = 2;(2)
int c = a + b;(3)

上面的这段代码中,c变量依赖a,b的值,因此,在编译器优化重排时,c肯定会在a,b赋值以后执行,但a,b之间没有依赖关系,可能会发生重排序,但这种重排序即便到了多线程中依旧不会存在问题,因为即便重排对执行结果也无影响。

但有些时候,指令重排序可以保证串行语义一致,但是没有义务保证多线程间的语义也一致,我们继续看下面这段代码:

【代码示例2】

public class Test {
   

    private static int num = 0;
    private static boolean ready = false;
    //禁止指令重排,解决顺序性问题
    //private static volatile boolean ready = false;

    public static class ReadThread extends Thread {
   

        @Override
        public void run() {
   

            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
   
                if (ready) {
   //(1)
                    System.out.println(num + num);//(2)
                }
                System.out.println("读取线程...");
            }
        }
    }

    public static class WriteRead extends Thread {
   

        @Override
        public void run() {
   
            num = 2;//(3)
            ready = true;//(4)
            System.out.println("赋值线程...");
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   
        ReadThread rt = new ReadThread();
        rt.start();

        WriteRead wr = new WriteRead();
        wr.start();

        Thread.sleep(10);
        rt.interrupt();
        System.out.println("rt stop...");
    }
}

我们定义了2个线程,一个用来求和操作,一个用来赋值操作,因为定义的是成员变量,所以代码(1)(2)(3)(4)之间不存在依赖关系,在运行时极可能发生指令重排序,如将(4)在(3)前执行,顺序为(4)(1)(3)(2),这时输出的就是0而不是4,但在很多性能比较好的电脑上,这种重排序情况不易复现。
这时,我们给ready 变量添加一个volatile关键字,就成功的解决问题了。

原因解析

volatile关键字可以禁止指令重排的原因主要有两个!

一、3 个 happens-before 规则的实现
  1. 对一个 volatile 变量的写 happens-before 任意后续对这个 volatile 变量的读;
  2. 一个线程内,按照程序代码顺序,书写在前面的操作先行发生于书写在后面的操作;
  3. happens-before 传递性,A happens-before B,B happens-before C,则 A happens-before C。

二、内存屏障
变量声明为 volatile 后,在对这个变量进行读写操作的时候,会通过插入特定的 内存屏障 的方式来禁止指令重排序。

内存屏障(Memory Barrier 又称内存栅栏,是一个 CPU 指令),为了实现volatile 内存语义,volatile 变量的写操作,在变量的前面和后面分别插入内存屏障;volatile 变量的读操作是在后面插入两个内存屏障。

具体屏障规则:
1) 在每个 volatile 写操作的前面插入一个 StoreStore 屏障;
2) 在每个 volatile 写操作的后面插入一个 StoreLoad 屏障;
3) 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadLoad 屏障;
4) 在每个 volatile 读操作的后面插入一个 LoadStore 屏障。

屏障说明:
1) StoreStore:禁止之前的普通写和之后的 volatile 写重排序;
2) StoreLoad:禁止之前的 volatile 写与之后的 volatile 读/写重排序;
3) LoadLoad:禁止之后所有的普通读操作和之前的 volatile 读重排序;
4) LoadStore:禁止之后所有的普通写操作和之前的 volatile 读重排序。

OK,知道了这些内容之后,我们再回头看代码示例2中,增加了volatile关键字后的执行顺序,在赋值线程启动后,执行顺序会变成(3)(4)(1)(2),这时打印的结果就为4啦!

volatile为什么不能保证原子性?

我们讲完了volatile修饰符保证可见性与有序性的内容,接下来我们思考另外一个问题,它能够保证原子性吗?为什么?我们依旧通过一段代码去证明一下!

【代码示例3】

public class Test {
   
    //计数变量
    static volatile int count = 0;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
   
        //线程 1 给 count 加 10000
        Thread t1 = new Thread(() -> {
   
            for (int j = 0; j <10000; j++) {
   
                count++;
            }
            System.out.println("thread t1 count 加 10000 结束");
        });
        //线程 2 给 count 加 10000
        Thread t2 = new Thread(() -> {
   
            for (int j = 0; j <10000; j++) {
   
                count++;
            }
            System.out.println("thread t2 count 加 10000 结束");
        });
        //启动线程 1
        t1.start();
        //启动线程 2
        t2.start();
        //等待线程 1 执行完成
        t1.join();
        //等待线程 2 执行完成
        t2.join();
        //打印 count 变量
        System.out.println(count);
    }
}

我们创建了2个线程,分别对count进行加10000操作,理论上最终输出的结果应该是20000万对吧,但实际并不是,我们看一下真实输出。

输出:

thread t1 count 加 10000 结束
thread t2 count 加 10000 结束
14281

原因:
Java 代码中 的 count++并非原子的,而是一个复合性操作,至少需要三条CPU指令:

  • 指令 1:把变量 count 从内存加载到CPU的寄存器
  • 指令 2:在寄存器中执行 count + 1 操作
  • 指令 3:+1 后的结果写入CPU缓存或内存

即使是单核的 CPU,当线程 1 执行到指令 1 时发生线程切换,线程 2 从内存中读取 count 变量,此时线程 1 和线程 2 中的 count 变量值是相等,都执行完指令 2 和指令 3,写入的 count 的值是相同的。从结果上看,两个线程都进行了 count++,但是 count 的值只增加了 1。这种情况多发生在cpu占用时间较长的线程中,若单线程对count仅增加100,那我们就很难遇到线程的切换,得出的结果也就是200啦。

要想解决也很简单,利用 synchronized、Lock或者AtomicInteger都可以,我们在后面的文章中会聊到的,请继续保持关注哦!

结尾彩蛋

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