Java：volatile如何保证这段代码中“数据”的可见性？

Posted 2023-02-21

【中文标题】Java：volatile如何保证这段代码中“数据”的可见性？

【英文标题】：Java: how volatile guarantee visibility of "data" in this piece of code?

【发布时间】：2016-02-12 00:53:54

【问题描述】：

Class Future

    private volatile boolean ready;
    private Object data;
    public Object get()
    
        if(!ready) return null;
        return data;
    

    public synchronized void setOnce(Object o)
    
        if(ready) throw...;
        data = o;
        ready = true;
    

它说“如果一个线程读取数据，则从写入到读取存在一个先发生边缘，以保证数据的可见性”

我从我的学习中知道：

volatile 确保每次读/写都在内存中，而不仅仅是在缓存或寄存器中； volatile 确保重新排序：即在 setOnce() 方法中 data = o 只能安排在 if(ready) throw... 之后，并且在 ready = true 之前；这保证如果在 get() ready = true 中，数据必须为 o。

我的困惑是

有没有可能当线程1在setOnce()中时，到达data = o之后的那个点；准备好之前=真；同时线程2运行get()，read ready为false，返回null。并且 thead 1 继续准备好 = true。 在这种情况下，即使数据已在线程 1 中分配了新值，线程 2 也没有看到新的“数据”。

get() 未同步，这意味着同步锁无法保护 setOnce()，因为线程 1 调用 get() 无需获取锁即可访问变量就绪数据。所以线程不能保证看到最新的数据值。我的意思是锁只保证同步块之间的可见性。即使一个线程正在运行同步块 setOnce()，另一个线程仍然可以进入 get() 并在不阻塞的情况下访问就绪和数据，并且可能会看到这些变量的旧值。

在 get() 中，如果 ready = true，数据必须为 o？我的意思是这个线程可以保证看到数据的可见性？我认为 data 不是 volatile 也不是 get() 同步的。这个线程是否可以看到缓存中的旧值？

谢谢！

【问题讨论】：

这是什么语言？爪哇？

另外，您的1 大多是错误的。 volatile 关键字与内存可见性有关，而不是缓存。缓存由缓存一致性硬件处理。这显然是一个没有人会使用的糟糕设计——内存太慢了，无法以这种方式使用。

@DavidSchwartz 在 Java 中可以将变量存储在缓存中。 L1 和 L2 缓存对于不同的线程是不可见的，使用 volatile 将值存储在主内存或 L3 缓存中（主内存和 L3 缓存在线程之间共享）。 More info

@VelkoGeorgiev 这完全是错误的。这不是缓存的工作方式。这是一个普遍的神话，但它只是一个神话。 volatile 关键字与这些缓存没有任何关系。对volatile 的访问可以完全保留在 L1 缓存中，没有任何问题。 （遗憾的是，您链接到的文章重复了这个神话。）

@VelkoGeorgiev 我在文章上做了一些 cmets。当一个人如此彻底地误解了一个重要问题并试图将其教给其他人时，这令人愤怒。

【参考方案1】：

volatile 确保每次读/写都在内存中，而不仅仅是在缓存或寄存器中；

不。它只是确保它对其他线程可见。在现代硬件上，这不需要访问内存。 （这是好事，主存很慢。）

volatile 确保重新排序：即在 setOnce() 方法中 data = o 只能安排在 if(ready) throw... 之后，并且在 ready = true 之前；这保证了如果在 get() ready = true 中，数据必须是 o。

没错。

有没有可能当线程1在setOnce()中时，到达data = o之后的那个点；准备好之前=真；同时线程2运行get()，read ready为false，返回null。并且 thead 1 继续准备好 = true。在这种情况下，线程 2 看不到新的“数据”，即使数据已在线程 1 中分配了新值。

是的，但如果这是一个问题，那么你不应该使用这样的代码。据推测，此代码的 API 将保证 get 在 setOnce 返回后调用时可以看到结果。显然，你不能保证get 在我们完成之前就能看到结果。

get() 不是同步的，这意味着同步锁不能保护 setOnce()，因为线程 1 调用 get() 不需要获取锁来访问变量准备好的数据。所以线程不能保证看到最新的数据值。我的意思是锁只保证同步块之间的可见性。即使一个线程正在运行同步块 setOnce()，另一个线程仍然可以进入 get() 并无阻塞地访问就绪和数据，并且可能会看到这些变量的旧值。

没有。如果这是真的，同步将几乎不可能使用。例如，一种常见的模式是创建一个对象，然后获取集合上的锁并将对象添加到集合中。如果获取集合上的锁并不能保证创建对象所涉及的写入是可见的，那么这将不起作用。

在get()中，如果ready = true，数据必须是o？我的意思是这个线程可以保证看到数据的可见性？我认为 data 不是 volatile 也不是 get() 同步的。这个线程可能会看到缓存中的旧值吗？

Java 的volatile 操作是这样定义的，这样可以保证看到对一个更改的线程可以看到所有其他内存更改，该线程在线程看到的更改之前进行了更改。这在其他语言（例如 C 或 C++）中是不正确的。这可能会使 Java 的 volatile 在某些平台上变得更加昂贵，但幸运的是在典型平台上不会。

另外，请不要谈论“在缓存中”。这与缓存无关。这是一个常见的误解。它与可见性有关，而不是缓存。大多数缓存提供对缓存的完全可见性（将“MESI 协议”插入您最喜欢的搜索引擎以了解更多信息），并且不需要任何特殊的东西来确保可见性。

【讨论】：

首先非常感谢您抽出宝贵时间帮我解答详细问题！

问题 1 现已解决。但是对于第二个问题，我从文档“当线程释放内部锁时，在该操作与任何后续获取相同锁之间建立了先发生关系”中读到了这一点。这让我感到困惑。我在想你关于收藏的例子。如果 t1 在同步的 add() 由 t2 运行时通过非同步方法 change() 对集合进行一些更改，会发生什么情况。 t1 不会阻塞，因为这是一个同步方法。 t1 是否会看到添加的集合或其他内容？

@ChristyLin 这种发生之前的关系意味着该线程之前所做的任何事情都会释放锁，这对于以后获得相同锁的任何线程都是可见的。您需要同步对集合的所有访问才能使其正常工作。在Java 中，volatile 建立了同样的关系——如果一个线程修改了任何volatile 变量，看到该修改的线程也将看到在该修改之前所做的所有修改。同样，这是特定于 Java 的。

现在我明白了 volatile 带来的影响。但是假设集合类不涉及任何 volatile 变量，它只有一个同步的 add() 和一个不同步的 change()，那么 add() 不能保证对 change() 可见，对吧？如果我需要这两个方法彼此可见，我必须让这两个都同步，对吧？

非常感谢！现在我所有的困惑都消失了。很高兴！祝你有美好的一天！