多线程&高并发深入浅出volatile关键字

Posted 2021-12-30 Roninaxious

1.来自我的灵魂拷问

你是否经常碰到volatile关键字？ volatile关键字的作用是什么？ JMM层面如何理解volatile关键字？ 你是否探究过volatile在汇编层面的实现？

如何看待下面两行代码？

private int num = 0;
private volatile int num2 = 0;

---

2.volatile关键字的作用

(1) 保证了线程间共享变量的可见性
(2) 禁止指令重排

可见性问题是怎么产生的？

/**
 * @author:Ronin
 * @since:2021/12/7
 * @email:[e-mail]
 */
public class Visibility 
    private static boolean initFlag = false;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        new Thread(() -> 
            while (!initFlag) 

            
        ).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        new Thread(() -> 
            initFlag = true;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程将flag修改为了true!");
        ).start();
    

程序将一直处于运行状态，虽然线程2修改了flag为true，但是线程1是不可见的；如果你不理解JMM中的可见性问题，请移步：深入浅出JMM-Java线程内存模型。

当我加入volatile关键字之后会出现什么情况呢？

程序将正常退出！

3.在JMM中volatile关键字怎么保证可见性的呢？

主要是通过MESI缓存一致性协议来实现的；当线程2对initFlag修改为true之后，处理器2会立即将修改后的数据从缓存中同步到主内存，在这个同步的过程中会经过总线，会被处理器1的总线嗅探机制监听到initFlag发生了变化，处理器1会立即将缓存的initFlag=false失效。等到下次再使用initFlag时，需要重新从主内存读取。这样就保证了线程间共享变量的可见性。

4.对以上代码进行反汇编处理，查看底层volatile的实现原理

教你几步将Java代码生成汇编指令:https://blog.csdn.net/Kevinnsm/article/details/121695215?spm=1001.2014.3001.5502

Ctrl+F搜索lock关键字

可以看出第十五行Java代码在汇编指令中使用lock指令前缀

private static volatile boolean flag = true;

继续向下搜索lock出现的地方

可以看出第25行代码在底层汇编也使用了lock指令前缀

将flag修改为了false，使用lock前缀之后，CPU会将数据立即刷新到主存中，然后其他CPU根据总线嗅探机制，检测到flag值发生了变化，会立即将工作内存中的flag失效（因为同步到主内存需要经过总线）【多核计算机中，会有多个处理器，我这里说的CPU不是同一个】

5.指令重排机制

“你看到的不一定是你以为的！”，用这句话修饰指令重排非常贴切。我们在语言层面编写代码时是按照思维和习惯去编写的，但编译器和CPU执行时的顺序和我们编写的顺序可能不一致。这是因为每个层面都有各自关注的事情，编译器和CPU可能会对我们的代码先优化再执行，以提高执行效率。

所以说指令重排是为了提高机器的执行效率而提出的一种的措施。如下图所示，左边是原来的代码，经过编译器优化可能会变成右边的代码

TODO：指令重排待写…

分析如下代码

import org.openjdk.jcstress.annotations.*;
import org.openjdk.jcstress.infra.results.I_Result;

/**
 * @author:Ronin
 * @since:2021/12/2
 * @email:[e-mail]
 */
@JCStressTest
@State
@Outcome(id = "1", "4", expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "这是期待的结果")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "这是不期待的结果")
public class VisibilityTest 

    /**
     * 结果有三种可能 4， 1，0(这个0是因为指令重排）
     */
    private int a = 0;
    private boolean flag = false;
    @Actor    //线程1
    public void method(I_Result result) 
        if (flag) 
            result.r1 = a * 2;
         else 
            result.r1 = 1;
        
    

    @Actor			//线程2
    public void method2(I_Result result) 
        a = 2;               //这个地方有可能会发生指令重排，也就是a=2和flag=true互换
        flag = true;
    

jcstress并发测试工具使用教程详解：https://blog.csdn.net/Kevinnsm/article/details/121685052?spm=1001.2014.3001.5501

上述代码使用jcstress工具对代码进行数亿的测试【注意测试时稍微耗电】，统计结果如下

可以看出出现了结果为0的情况，这是因为发生了指令重排，使得下面两行代码发生了替换

		a = 2;              
        flag = true;

6.volatile关键字总结

(1) 保证了线程间共享变量的可见性
(2) 禁止指令重排