Java并发编程实战3-可见性与volatile关键字

2023-08-06 23:29:52

1. 缓存一致性问题

在计算机中，每条指令都是在CPU执行的，而CPU又不具备存储数据的功能，因此数据都是存储在主存（即内存）和外存（硬盘）中。但是，主存中数据的存取速度高于外存中数据的存取速度（这也就是为什么内存条的价格会高），于是计算机就将需要的数据先读取到主存中，计算机运算完成后再将数据写入到外存中。

但是，CPU的计算能力太强了，CPU从主存中读取写入数据的速度还是太慢了，严重影响了计算机的性能。因此，CPU就有了高速缓存（cache）。也就是说，当程序再运行的时候，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存中，那么当CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存中读取和写入数据，当运算结束后，再将高速缓存中的数据刷新到主存中。

这样的逻辑在单线程中是没有问题，但是到了多线程中就有问题了。在多核CPU中，每个线程可能有运行在不同的CPU上，因此每个线程运行时都有自己的高速缓存；在单核CPU中，多线程是以线程调度的形式分别执行的，线程间的高速缓存也不同。在开始运算时，每个CPU都将主存中的数据复制到自己的高速缓存中，运算完成之后再将数据刷新到主存中，在这个过程中，问题就出现了。如果没有意识到问题的话，请看下面的例子。假设线程A和线程B都要执行下面的代码：

i = i + 1

假定i的初始值为0，线程A从主存中读取i的值到自己的高速缓存cache A中，此时cache A中i的值为0，CPU进行计算后，cache A中i的值变为了1。此时，线程B的执行进度是不确定：(1)如果线程B已经从主存中读取了i的初始值0到到了cache B中，CPU 计算完成之后，cache B中的i的值也变为了1，如果线程A和线程B分别将自己的缓存中的i值刷新到主存中，那么主存中的i的值最终为1；(2)如果线程B还没有从主存中读取i的值，线程A将cache A中的i刷新到主存中，那么主存中i的值为1，线程B再将主存中的i值读取到cache B中并计算并将i=2刷新到主存中，那么最终主存中i的值变为2。上述情况是假定线程A先执行的，如果线程B先执行时同样存在问题。

上面的问题上就是缓存一致性问题。

于是，就出现了缓存一致性协议，最著名的就是Intel的MESI协议，MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。由于没有对缓存一致性协议进行详细的了解，本文不再介绍，想要了解的读者请参考文章《缓存一致性（Cache Coherency）入门》。此时，多线程计算模型就如下图所示：

2. volatile关键字

对于缓存一致性问题，我们可以通过对代码块加锁的方法来解决：

synchronized(lock) {

	i += 1;

}

通过synchronized来解决缓存一致性问题的原因，《并发编程实战》中是这么写的：

当线程B执行到与线程A相同的锁监视的同步块时，A在同步块之中或之前所做的每件事，对B都是可见的。没有同步，就没有这样的保证。

本文的理解是：相同的锁监视的同步块，每一时刻只能保证有一个线程获得锁并进入，其它的线程就等待或阻塞直到获得获得锁。相当于，同步块中的代码是串行执行的，当然就不会出现缓存一致性的问题了。

注意，无论是书中写的还是本文理解的，都在强调相同的锁监视器，也就是说，不同线程中的synchronized使用的锁要是同一个。

至此，正如《并发编程实战》中写的：

锁不仅仅是关于同步与互斥的，也是关于内存可见的。为了保证所有线程都能够看到共享的、可变变量的最新值，读取和写入线程必须使用公共的锁进行同步。

至此，synchronized的作用：

复合操作的原子化和互斥；
内存可见性。

除了加锁之外，Java也提供另外一种保存内存可见性的方法：volatile变量。一旦一个共享变量被volatile修饰之后，那么久具备两层语义：

保证了不同线程对共享变量进行操作时的可见性，即一个线程修改了某个变量的值，这个新值对于其它线程来说是立即可见的；
禁止进行指令重排。

下面通过一段代码来描述volatile关键字的作用：

public class NoVisibility {

	private static boolean ready;

	private static class ReaderThread extends Thread {

		public void run() {

			while(!ready){

				Thread.yield();

			}

		}

	}

	public static void main(String[] args){

		new ReaderThread().start();

		ready = true;

		//when ready=true, do something

	}

}

上面的这段代码是常见的采用标记中断线程的方法，然而这段代码却不一定能正常的执行。如同上文所讲，每个线程都有自己的cache，主线程main和子线程ReaderThread都有自己的缓存，开始执行之后，子线程ReaderThread会使用自己缓存中的ready值进行判断，而在主线程main中，在设置ready=ture之后，还要做其它的事情，只是将ready=true写到了自己的cache中，并没有将ready的值刷新到主存中，子线程ReaderThread也就不会停止。

但是，当用volatile修饰ready之后就变得不同了：

使用volatile关键字之会强制将修改的值立即刷新到主存中；
使用volatile关键字之后，当main线程进行修改时，会导致子线程ReaderThread的cache中的ready的值无效；
由于子线程ReaderThread缓存中的ready的值无效，所以再次读取ready值时回到主存中读取。

这样，就保证了main线程及其子线程的正常执行。

3. volatile与synchronized的区别：

加锁可以保证原子性和可见性； volatile变量只能保证可见性。

也就是说，volatile变量的操作不会加锁，不会使得操作对象为volatile变量的复合操作原子化，也不会引起执行线程的阻塞，相对于synchronized而言，只是轻量级的同步机制。

4. volatile的禁止指令重排

volatile关键字禁止指令重排有两层含义：

当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时，在其前面的操作的更改肯定已经全部进行，且结果对后面的操作可见；在其后面的操作肯定还没有进行；
在进行指令优化时，不能将在对volatile变量访问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。

下面通过代码来理解：

//x、y is not volatile variable

//flag is volatile variable

x = 1; //line 1

y = 2; //line 2

flag = true; //line 3

x = 3; //line 4

y = 4; //line 5

由于flag是volatile变量，x、y不是volatile变量，在进行指令重排的时候，不会将第3行的语句放到第1行或第2行语句的前面，也不会放到第4行或第5行的后面，第1行和第2行的语句可以重排，但是一定始终在第3行的语句的前面，第4行和第5行的语句也可以重排，但是也一定在第3行语句的后面。

虽然，这个小的程序中，并没有大的作用，但是当第1、2、4、5行的语句是一些重要且复杂的语句时，效果就明显了：

//线程1:

context = loadContext();   //语句1

inited = true;             //语句2

//线程2:

while(!inited ){

  sleep()

}

doSomethingwithconfig(context);

在这个程序中，如果inited变量不是volatile变量，那么语句1和语句2可以重排，就有可能导致语句2先执行，那么导致语句1中的真正执行初始化的操作并没有执行，线程2却已经认为已经初始化了，开始执行操作，就会导致程序错误。

5. volatile的原理和实现机制

volatile是如何保证可见性和禁止指令重排呢，《深入理解Java虚拟机》中有如下解释：

观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现，家兔volatile关键字时，会多出一个lock前缀指令

lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障（也称内存栅栏），内存屏障会提供3个功能：

它确保执行重排时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置，也不会把前面的指令重排到内存屏障的后面；即在执行到内存屏障这句指令时，在它前面的操作已经全部完成；
它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存；
如果是写操作，它会导致其它CPU中对应的缓存行无效。

6. volatile使用的场景

synchronized关键字可以保证原子性和可见性，但是影响执行效率；volatile可以保证变量的可见性，但是不能保证原子性，在某些情况下性能优于synchronized。因此，volatile不能替代synchronized，volatile使用时，应该满足下面2个条件：

写入变量时不依赖变量的当前值；
变量不需要与其它的状态变量共同参与不变约束。

本文的理解是，第一个条件是说，使用这个volatile变量仅仅是提供数值给其它的语句用，本身的修改依赖于自己的当前值；第二个条件是说，volatile变量不能与其它的变量一起参与运算作为某种约束，也就是说此时这个约束仍然不是原子的。

volatile适用的场景：

1. 状态标记位

volatile boolean inited = false;

//线程1:

context = loadContext();

inited = true;            

//线程2:

while(!inited ){

sleep()

}

doSomethingwithconfig(context);

2. double check

class Singleton {

	private volatile static Singleton instance = null;

	private Singleton() {

	}

	public static Singleton getInstance() {

		if(null == instance){

			synchronized (Singleton.class) {

				if(null == instance){

					instance = new Singleton();

				}

			}

		}

		return instance;

	}

}

参考资料

Java并发编程：volatile关键字解析

缓存一致性（Cache Coherency）入门

致谢

本文主要是在参考文献Java并发编程：volatile关键字解析，以及《并发编程实战》的相关章节的基础上，加上作者的理解写的，非常感谢前辈们的无私奉献！

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