volatile的使用
本文主要介绍volatile关键字的用法
一、cpu缓存模型
计算机的存储设备与处理器的运算速度有量级的差异,因此添加一个硬件设备,使其读写速度尽可能接近cpu的处理速度,该设备就是高速缓存。
高速缓存的存储交互解决了处理器与内存之间速度的矛盾,但也引入了一个新问题,缓存一致性问题(下文讲解)。
高速缓存:内存与处理器之间的桥梁。将运算需要使用的数据复制到缓存中,让处理器尽快执行,当运算结束后再从缓存同步回主内存。
CPU缓存模型
二、Java内存模型(JMM)
1、Java内存模型
Java内存模型与cpu缓存模型类似,屏蔽掉各种硬件和操作系统之间内存访问的差异,实现让Java在各个平台下都能达到内存一致性访问效果。
2、主内存、工作内存
JMM目标:定义各种变量访问规则,此处的变量为共享变量,如类变量,实例变量以及构成数组对象的元素。不包括:方法参数,局部变量,这些变量为方法持有,线程私有。
主内存:与硬件的主内存名字一致,可以进行类比。但是该内存为JVM内存的一部分,主要存放变量;
工作内存:可以与硬件的高速缓存类比,工作内存中保存了从主内存拷贝的变量副本。
Java线程:直接操作工作内存的变量,各线程间工作内存不能互相访问。
3、内存之间的交互
JMM定义如下8中操作完成,工作内存与主内存的交互:
(1)lock(锁定):作用于主内存的变量,把一个标量表示为线程独占状态;
(2)unlock(解锁):作用于主内存的变量,把一个锁定的变量解锁,解锁的变量可以被其他线程锁定;
(3)read(读取):作用于主内存的变量,将一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存,以便随后的load操作;
(4)load(载入):作用于工作内存,将read操作从主内存读到的变量值放入到工作内存的变量副本中;
(5)use(使用):作用于工作内存中,将工作内存中的一个变量值传递给执行引擎,每当虚拟机需要一个使用变量值的字节码指令时将会执行该操作;
(6)assign(赋值):作用于工作内存,将一个从执行引擎收到的值赋值给工作内存变量;
(7)store(存储):作用于工作内存的变量,将工作内存中的一个值传递到主内存,以便随后的write操作使用;
(8)write(写入):作用于主内存,将store操作的工作内存的得到的变量的值放入主内存的变量中
3.1、示例代码
package com.kingdee.bos.jvm.jmm; /** * volatile关键字,可见行测试 * @author cc * @project EffectiveJava * @date 2019-10-27 22:07 */ public class VolatileTest1 { private static boolean flag = false; public static void main(String[] args) { Thread t1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("t1 开始运行准备数据ing!"); while(!flag){ } System.out.println("t1 数据准备完毕,线程退出!t1 success!"); } }); t1.start(); try { Thread.sleep(50); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } Thread t2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { System.out.println("t2,协助准备业务需要的数据!"); preparedData(); System.out.println("t2, 协助准备业务数据完成!"); } }); t2.start(); } private static void preparedData(){ flag=true; } }
运算结果:
t1 开始运行准备数据ing!
t2,协助准备业务需要的数据!
t2, 协助准备业务数据完成!
结果分析:System.out.println("t1 数据准备完毕,线程退出!t1 success!");这句语句一直没有打印出来。
3.2、从JMM模型角度分析3.1代码执行结果
(上图中load操作省略了)由于其中线程修改了共享变量的值,但是,对其他线程不可见,因此,其他线程操作的变量值,还是之前的值,因此,会存在线程安全问题。解决此问题的办法给变量添加volatile关键字。
3.3 volatile关键字
(1) volatile解决问题:Java多线程访问共享变量数据,解决了变量的对其他线程可见性问题
早期CPU处理变量可见性问题:
CPU从主内存读取高速缓存的数据,经过总线,会在总线这一层对数据进行加锁操作,在这期间其他CPU只能等待直到其他CPU处理完数据为止,相当于把多核CPU的并发操作变为了串行操作,浪费了CPU的性能。效率也很低。
MESI缓存一致性协议:
多个CPU从主内存读取数据到高速缓存中,当其中的某一个CPU修改了缓存中数据后会立即同步回主内存。其他CPU通过总线嗅探机制将自己的缓存中的数据失效。
(2)volatile底层原理:
A、共享变量被volatile修饰时会产生一个lock addl $0x0,(%esp)的操作,这个操作相当于一个内存屏障,指令重排序时不能把后面指令排序到内存屏障之前。一个CPU访问不需要内存屏障,多个CPU访问内存需要内存屏障。
B、lock前缀,使得CPU将缓存数据写入到内存中,写入内存的动作也会触发其他CPU缓存的共享变量数据失效。
C、volatile关键字,会产生一个lock前缀,根据MESI缓存一致性原则,volatile修饰的变量会立即从工作内存写会到主内存,此时会执行store,write操作,在执行store操作时会加锁(相对于早期CPU加锁机制,该锁粒度更细,性能较高),store操作经过总线时,总线嗅探机制感知到之后,会将其他CPU*享变量的数据失效。执行完store之后,会执行write操作,将变量值放到主内存变量中,此时锁会释放。
3.4 volatile 非原子性操作
package com.kingdee.bos.sbdemo.execise; /** * @author Administrator * @version 2019/10/29 9:38 */ public class VolatileTest2 { private volatile static int num=0; public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i <20 ; i++) { new Thread(()->{ for (int j = 0; j <1000 ; j++) { incr(); } }).start(); } try { // 活动线程数量>1 主线程让出cpu时间片 // while (Thread.activeCount()>1) // Thread.yield(); Thread.sleep(50); System.out.println("num:"+num);// <=20000 } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } private static void incr(){ num++; } }
运行结果:num<=20000
分析:
从JMM角度考虑,起始时所有线程持有变量num=0,其中一个线程t1先执行num++1,此时num=1,该线程(t1)再执行store操作之前(store将变量值通过总线回写主内存需要时间),另外一个线程t2也执行了num++,此时num=1。此时,线程t1执行store操作,由于volatile关键字修饰变量,根据MESI缓存一致性协议,会执行lock前缀触发cpu总线嗅探机制将,其他线程,比如t2线程的num=1值失效。因此,对于t2线程来说,执行1000相加操作的值小于等于1000.其他线程类似,因此,num<=20000.