对volatile的一点lijie

Posted 2022-12-15 timetellu

　　理解volatile其实还是有点儿难度的，它与Java的内存模型有关，所以在理解volatile之前需要先了解有关Java内存模型的概念，目前只做初步的介绍。

一、操作系统语义

　　计算机在运行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，在执行过程中势必会涉及到数据的读写。

　　我们知道程序运行的数据是存储在主存中，这时就会有一个问题，读写主存中的数据没有CPU中执行指令的速度快，如果任何的交互都需要与主存打交道则会大大影响效率，所以就有了CPU高速缓存。

　　CPU高速缓存为某个CPU独有，只与在该CPU运行的线程有关。

1、产生数据一致性 / 内存不可见性问题

　　有了CPU高速缓存虽然解决了效率问题，但是它会带来一个新的问题：内存不可见性 ——> 数据一致性。

　　线程在运行的过程中会把主内存的数据拷贝一份到线程内部cache中，也就是working memory。这个时候多个线程访问同一个变量，其实就是访问自己的内部cache，不再与主存打交道，只有当运行结束后才会将数据刷新到主存中。

　　【举一个简单的例子】：

public class VariableTest 

    public static boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 
        ThreadA threadA = new ThreadA();
        ThreadB threadB = new ThreadB();

        new Thread(threadA, "threadA").start();
        Thread.sleep(1000l);//为了保证threadA比threadB先启动，sleep一下
        new Thread(threadB, "threadB").start();


    

    static class ThreadA extends Thread 
        public void run() 
            while (true) 
                if (flag) 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : flag is " + flag);
                    break;
                
            

        

    

    static class ThreadB extends Thread 
        public void run() 
            flag = true;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : flag is " + flag);
        
    

　　运行结果：（光标一直在闪）

　　上面例子出现问题的原因在于：

      （1）线程A把变量flag（false）加载到自己的内部缓存cache中；线程B修改变量flag后，即使重新写入主内存，但是线程A不会重新从主内存加载变量flag，看到的还是自己cache中的变量flag。所以线程A是读取不到线程B更新后的值，然后一直死循环...

      （2）除了cache的原因，重排序后的指令在多线程执行时也有可能导致内存不可见，由于指令顺序的调整，线程A读取某个变量的时候线程B可能还没有进行写入操作呢，虽然代码顺序上写操作是在前面的。

2、解决缓存一致性方案

1.  通过在总线加LOCK#锁的方式
2.  通过缓存一致性协议

　　但是方案1存在一个问题：它是采用一种独占的方式来实现的，即总线加LOCK#锁的话，只能有一个CPU能够运行，其他CPU都得阻塞，效率较为低下。

　　第二种方案：缓存一致性协议（MESI协议）它确保每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。

　　　　　　　　其核心思想如下：当某个CPU在写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，则会通知其他CPU告知该变量的缓存行是无效的，因此其他CPU在读取该变量时，发现其无效会重新从主存中加载

　　　　　　　　　　　　　　　　数据。　　

                           

二、Java内存模型

1、共享变量

　    共享变量是指：可以同时被多个线程访问的变量，共享变量是被存放在堆里面，所有的方法内的临时变量都不是共享变量。

2、重排序

　　重排序是指为了提高指令运行的性能，在编译时或者运行时对指令执行顺序进行调整的机制。重排序分为编译重排序和运行时重排序。

　　编译重排序是指：编译器在编译源代码的时候就对代码执行顺序进行分析，在遵循as-if-serial的原则前提下对源码的执行顺序进行调整。

　　运行时重排序：是指为了提高执行的运行速度，系统对机器的执行指令的执行顺序进行调整。

　【as-if-serial原则】是指在单线程环境下，无论怎么重排序，代码的执行结果都是确定的。

3、可见性

　　内存的可见性是指线程之间的可见性，一个线程的修改状态对另外一个线程是可见的，用通俗的话说，就是假如一个线程A修改一个共享变量flag之后，则线程B去读取，一定能读取到最新修改的flag。

    （看上边示例）　　

　　Java提供了volatile来保证可见性。

　　当一个变量被volatile修饰后，表示着线程本地内存无效，当一个线程修改共享变量后他会立即被更新到主内存中，当其他线程读取共享变量时，它会直接从主内存中读取。 

　　当然，synchronize和锁都可以保证可见性。

4、原子性

　　原子性：即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。就像数据库里面的事务一样，他们是一个团队，同生共死。

　　在单线程环境下我们可以认为整个步骤都是原子性操作，但是在多线程环境下则不同，Java只保证了基本数据类型的变量和赋值操作才是原子性的。

　　要想在多线程环境下保证原子性，则可以通过锁、synchronized来确保。

// 一个很经典的例子就是银行账户转账问题：
      比如从账户A向账户B转1000元，那么必然包括2个操作：从账户A减去1000元，往账户B加上1000元。试想一下，如果这2个操作不具备原子性，会造成什么样的后果。            
      假如从账户A减去1000元之后，操作突然中止（B此时并没有收到）。
      然后A又从B取出了500元，取出500元之后，再执行 往账户B加上1000元 的操作。这样就会导致账户A虽然减去了1000元，但是账户B没有收到这个转过来的1000元（少了500）。

      所以这2个操作必须要具备原子性（不可分割的最小操作单位）才能保证不出现一些意外的问题。  

三、volatile原理

　　（1）volatile修饰的变量不允许线程内部cache缓存和重排序，可以保证内存的可见性和数据的一致性。

　  （2）线程读取数据的时候直接读写内存，同时volatile不会对变量加锁，因此性能会比synchronized好。

　　另外还有一个说法是使用volatile的变量依然会被读到线程内部cache中，只不过当B线程修改了flag后，会将flag写回主内存，同时会通过信号机制通知到A线程去同步内存中flag的值。

　volatile相对于synchronized稍微轻量些，在某些场合它可以替代synchronized，但是又不能完全取代synchronized，只有在某些场合才能够使用volatile。
 使用它必须满足如下两个条件：
// 1、对变量的写操作不依赖当前值；
// 2、该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

　volatile经常用于两个两个场景：状态标记、double check（单例模式）