[JVM系列]别再说不知道volatile了

Posted 2023-02-22 Viola_tt

文章目录

• 闲聊
• 一、volatile
• 二、地（ding）位（yi）
• 三、特性
• • 3.1、可见性
  • 3.2、禁止指令重排
  • 3.3、能够保证原子性吗？
• 四、原理
• • • 划重点1   JMM
    • 划重点2   CPU指令重排
• 四、使（dan）用（li）
• 五、结语

闲聊

        做程序员久了，如果你还是写那些crud，那真的应该好好的想一下了。觉得自己如果不了解点别的东西都对不起自己这些年的工作经验，之后出去不是什么10年的工作经验而是一个经验用了10年，不论你出于什么原因学习了jvm，都认为迈出这一步很棒，jvm的介绍我希望用自己的理解表达出来，如果有什么地方说的不好，欢迎大家指正，没准还能认识一下~

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一、volatile

        今天小编跟大家分享一下volatile，主要从她的定义，特性，原理，使用上进行分析，希望尽可能以小编认为通俗的方式说出来，当然如果有不对的地方，大家踊跃拍砖~

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二、地（ding）位（yi）

        volatile是JVM提供的轻量级同步机制，synchronized也是JVM提供的同步机制，这里为啥说volatile是轻量级呢，正是和synchronized对比得来的，synchronized是重量级的同步机制。volatile不能保证原子性，sync可以保证，至于什么是原子性，就不用我多说了吧。

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三、特性

        现在要划重点了，赶紧拿出你的小本本出来，volatile具有的特性是1. 可见性；2禁止指令重排，这个东西就算你不理解，那你也得知道~

3.1、可见性

        可见性说的是，在高并发的情况下，多个线程同时访问一个用volatile修饰的变量，当其中一个线程修改了这个变量的值，其他线程可以立即看到变量的最新值。如果这句话不明白，我们看用代码来说话！

/**
 * 验证volatile的特性
 * Created by Viola on 2019/7/11.
 */
public class MyData 
	int number=0;
	public void addT060()
        this.number=60;
    
    public void addTo60()
        this.number=60;
    

class VolatileDemo
    public static void main(String[] args) 
       //测试可见性
        seeOkByVolatile();
    
    //volatile可以保证可见性，及时通知其他线程，主物理内存的值已经被修改
    public static void seeOkByVolatile()
        MyData myData=new MyData();
        new Thread(()->
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\\t come in ");
            //暂停一会线程
            try 
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            catch (InterruptedException e)
                e.printStackTrace();
            ;
            myData.addTo60();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\\t update number value->"+myData.number);
        ,"childThread:").start();
        //第2个线程时main线程
        while (myData.number==0)
        
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\\t mission is over,main get number value is :"+myData.number);
    
  

        大家可以猜一下这段代码的运行完，最后一行打印的myData.number是啥，嘻嘻我怎么也开始出题了：

        A、0；
       B、60；
       C、以上都不是；

        如果将MyData 中的 int number=0；改为volatile int number=0；结果又是A、B、C中的哪一个呢？答案先不揭晓了，大家可以先思考一下，如果想要确定答案或是好奇答案，请留言，小编看到会回复~

        上面是表层的，入门级别，也是不够的，人家都不怎么问你啥是可见性了，人家会问你的是volatile可见性是怎么保证的，他的原理是什么？没事别慌，下面原理会说~

3.2、禁止指令重排

        我们写的代码顺序并不是真正执行时候的顺序，这个有疑问的举手~编译成.class的二进制文件，在解释执行时，cpu指令会做一些优化，使得顺序会发生改变。禁止指令重排说的是，我们用volatile修饰的这行代码的前后会分别生成一道不可逾越的屏障，volatile修饰的这样代码的前面的代码不会插进来，之后的代码也不会插进来，当然这行代码也不会跑出去。因此禁止指令重排，保证了代吗执行的有序性。

3.3、能够保证原子性吗？

        NO,不行！经典的例子 i++;i++分三步 1，读取i，2.加1操作，3结果赋值给i。别多说了，show me the code~

/**
 * 验证volatile的特性
 * Created by Viola on 2019/7/11.
 */
public class MyData 
	volatile int number=0;
	//i++，当前是volatile修饰
    public  void addPlusPlus()
        number++;
    
 

class VolatileDemo
    public static void main(String[] args) 
        //测试原子性
        notAutomic();
    
    //不能保证原子性
    public static void notAutomic()
        MyData myData=new MyData();
        for (int i = 0; i < 10; i++) 
            new Thread(()->
                for (int i1 = 0; i1 < 1000; i1++) 
                    myData.addPlusPlus();
                
            ,String.valueOf(i)).start();
        
        //等待上面的10个线程全部执行完成
        while(Thread.activeCount()>2)
            Thread.yield();
        
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\\t finished , number value is \\t"+myData.number);
    
  

        这段代码的运行结果我们发现，不是9000多就是8000多，循环了1万次，调用了1万次addPlusPlus()，但是结果没有到1万，但是最后的原子性能不能保证依然不用我多说了~

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四、原理

       

划重点1   JMM

        JMM（Java 内存模型 java memory model简称JMM）本身是一种抽象的概念，描述了一组规范，规定了程序中各个变量（实例字段，静态字段和构成数组对象的元素）的访问方式。
        JMM关于同步的规定：

       1. 线程解锁前，必须要把共享变量的值刷回到主内存中
      2. 线程加锁前，必须读取主内存的最新值刷到自己的工作内存
      3. 上面说的加锁和解锁是同一把锁

        由于JVM运行程序的实体是线程，每个线程创建时JVM都会为其创建一个工作空间（栈空间），工作空间是每个线程私有的，而java内存模型规定所有变量都存储在主内存中，主内存中的变量是线程共享的，但线程对变量的操作（读取赋值等）必须在工作内存中进行，首先将变量从主内存拷贝到工作内存，对变量进行操作，操作完成后写回到主内存中，不能直接操作主内存中的变量，线程间的通信也通过主内存来完成，其简要访问过程如下：

划重点2   CPU指令重排

        计算机在执行程序时，为了提高性能，编译器和处理器常常会对指令做重排：源代码–>编译器优化的重排–>指令并行的重排–>内存系统的重排–>最终执行的指令。如果两个操作之间的关系不存在下面所列举的先行发生（happen-before）情况，便会出现指令重排：

1. 程序次序规则：程序执行时按照控制流顺序，要考虑分支和循环。
2. 管程锁定规则：一个unlock操作先行发生于后面对同一个锁的lock操作，这里需要强调2点：第一：同一个锁；第二：后面是时间上的先后。为什么这样呢？前一个线程unlock时可以将最新的变量刷回主内存，后面线程在lock时便会拿到最新的值。
3. volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作优先于后面对这个变量的读操作，原理同2，也是要刷回主内存。
4. 线程启动规则：Thread对象的start（）方法先行发生于次线程的每一个动作。
5. 线程终止规则：线程中的所有操作先行发生于对此线程的终止检测。
6. 线程中断规则：对线程interrupt()方法的调用先行发生于被中断线程的代码检测到中断事件的发生。（我对这句话实在是不理解，求指教）
7. 对象终结规则：一个对象的初始化完成先行发生于它的finalize（）方法的开始。
8. 传递性：A操作先行发生于B，B先行与C，那么A先行与C。

        将上面的总结一下可以得出：1.单线程里能够确保程序最终执行结果和代码顺序执行的结果一致。2、处理器在进行重排序时必须要考虑指令之间的数据依赖性。

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四、使（dan）用（li）

        哪里用我们可以用到volatile呢？其实我们常见的单例，保证线程安全的单例，便是用到了volatile，话不多说了，代码如下：

/**
 * 懒汉模式，单例对象--synchronized
 * 双层同步锁，+volatile 禁止指令重排序是线程安全的
 * 单例实例在第一次使用时创建
 * Created by Viola on 2019/5/8.
 */
@ThreadSafe
public class SingleTonExample5 
    //私有构造函数
    private SingleTonExample5()

    // 1、memory = allocate() 分配对象的内存空间
    // 2、ctorInstance() 初始化对象
    // 3、instance = memory 设置instance指向刚分配的内存

    // JVM和cpu优化，发生了指令重排

    // 1、memory = allocate() 分配对象的内存空间
    // 3、instance = memory 设置instance指向刚分配的内存
    // 2、ctorInstance() 初始化对象

    //私有的单例对象
    private volatile static  SingleTonExample5 instance=null;
    //共有的创建对象的方法
    public static SingleTonExample5 getInstance()
        if (instance==null) //A-1
            synchronized (SingleTonExample.class)//双层检测机制
                if (instance==null)
                    instance=new SingleTonExample5(); //A-3
                
            
        
       return instance;
    

       懒汉模式的线程安全的单例，对A-3这行做了详细的说明，如果不用volatile修饰，这时有的线程会拿到一个没有初始化完成的对象而出现错误。

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五、结语

        希望您能从小编的文章中得到一些感受或者启发，那将是我最大的荣幸，感谢您宝贵的阅读时间。