volatile-最轻量级的并发实现及其内存语义

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了volatile-最轻量级的并发实现及其内存语义相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

原文连接:(http://www.studyshare.cn/blog-front/blog/details/1163/0 )

一、volatile定义

volatile是java并发编程中修饰类的成员变量、成员属性或者对象的一个关键字。是java并发编程中最轻量级的

并发实现,保证所修饰的变量对多个线程内存可见。在一个线程写,多个线程读的场景下,首选使用volatile关键字。

二、使用案例

此处用一个线程安全的单例模式来说明volatile具体的使用场景和原理,首先,线程安全的单例模式是很多

面试官都喜欢考察面试者的一个问题,网络上各种博客都谈到饿汉式,懒汉式单例模式的编写方式,也提到过

一个双重检查模式的单例模式,双重检查单例模式代码如下:

技术图片

相信很多人认为这已经是线程安全的单例模式了,然而这真的是线程安全的吗?其实不是,为什么呢?原因

其实很简单,如果两个线程调用getInstance()方法的时候,其中某一个线程正在执行第一重检查,另外一个线

程正在执行第二重检查中的instance = new Singlton()的时候,此时这句实例化的代码在我们看来只有一句,

但翻译成cpu能运行的指令的时候会变成三句:

(1)给instance分配一个栈指针,(2)给Singlton对象分配堆内存,(3)将栈指针指向堆内存。那么cpu在

做这三步操作的时候执行顺序会重排序(cpu按自己的规则重新排序后执行),即执行顺序可能是(1)(3)(2),

那么问题就来了,当执行(1)后,假如第一个线程正在执行第一重检查,那么此时会发现instance并不为空,

就直接返回了。然而实际对象分配堆内存还没完成,此时就会造成instance只是一个空的指针。当我们调用

Singlton对象中的成员变量时,就会出错。

问题出来了,那么解决方法非常简单,就是使用该文章的主题--volatile关键字,在我们对象成员变量上加

上volatile即可。

private static volatile Singlton instance ;

三、深入剖析

要理解透彻volatile的原理需要明白cpu指令重排序、内存屏障以及线程的本地缓存和主内存等相关知识。
指令重排序:以上的示例也说明了cpu在执行一条我们编写的代码的时候,首先会编译成汇编语言,最终编
译成二进制指令后在cpu的寄存器上进行存取并执行。即一条代码会变成n条指令,
cpu执行这n条指令的时候,不会老老实实的按顺序进行执行,而是会按一定的规则(可能是先简单后复杂,
先加减后乘除等等)重新排序后执行。这就是指令重排序。重排序的类型有编译器优化重排序,指令级并行
重排序,内存系统重排序。
内存屏障:这是针对并发下重排序带来的问题的一种解决方案,现代cpu都有的一种内存屏障类型是:
StoreLoad Barriers,另外还有三种分别是:LoadLoad Barriers、StoreStore Barriers
以及LoadStore Barriers.

技术图片

线程的本地缓存与主内存:

技术图片

(1)、每个线程都会有自己的本地缓存,如上图所示,线程A,线程B都会有自己的本地缓存,用来缓存线
程本身所需要使用的数据。
(2)、正常情况下,当线程A改变了自己本地缓存中的a变量的值,并不会马上刷新到主内存,同理,线程
B也一样。
(3)、如果给a变量加上volatile修饰,那么当线程A改变了本地缓存中a的值后,cpu会强制将线程A的本
地缓存中的a变量的值刷新到主内存,即让主内存的a的值与线程A的本地缓存中的a值一致。且同时让线程
B中的本地缓存中的a失效,那么当线程B要使用本地缓存中的a变量的时候,会重新到主内存读取并刷新自
己的本地缓存。这就是volatile的内存语义。
然后回头解释案例中为何加入volatile修饰就保证了真正的线程安全,直接来说就是一句话:volatile修
饰的变量在cpu底层执行的时候插入了相关的内存屏障禁止指令进行重排序。具体来说是在volalite写操作
前插入StoreStore屏障,写操作后面插入StoreLoad屏障,在volatile读操作的后面连续插入LoadLoad屏障
和LoadStore屏障。
总结:volatile关键字修饰的变量具有内存可见性,对一个volatile变量的读,总是能看到(任意线程)对
这个变量最后的写入。volatile的并发实现是利用cpu的lock前缀指令对消息总线进行加锁,同时让volatile
当前所在线程的本地缓存内容强行刷进主内存,并让其他使用了该变量的本地缓存失效,当其他线程需要
使用volatile所修饰的变量的时候就会重新到主内存中读取。
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