Java多執行緒之初識volatile

innoyiya發表於2018-01-31
Java執行緒

在討論volatile之前我們先來了解下cpu與記憶體之間的關係：

Java多執行緒之初識volatile

手殘黨、圖醜、大家心中有個大概就行了。

圖中的快取為cpu快取，實際上電腦一般設有三級快取。cpu快取為於cpu和記憶體之間的臨時儲存器，它的容量很小但交換速度卻比記憶體快得多。

快取的出現主要是為了解決CPU運算速度與記憶體讀寫速度不匹配的矛盾，因為CPU運算速度要比記憶體讀寫速度快很多，這樣會使CPU花費很長時間等待資料到來或把資料寫入記憶體。具體大家可自行百度。

volatile提供的三個特性：

  • 原子性：

    一個很好的例子是：32位機上的long型別讀寫操作是分為高低位讀寫兩次的，並且不原子性。所謂原子性是指一個集合操作中所有操作“同生共死”、要麼一起成功執行要麼一起不執行。

    long i = 0; i = 10;

    當有一條執行緒執行到i = 10時，首先會為低16位進行賦值，倘若此時有另一條執行緒來讀取時只會讀到只賦值的低16位的資料，從而造成bug的出現。 不過volatile並不能代替鎖，它無法保證複合操作的原子性，例如：i++,實際上此操作是由三個步驟組成的：首先取得i的值，再對i進行+1，再將結果寫回i。

  • 可見性：

    就如上圖所示，每個CPU都有屬於自己的快取

    int i = 0;
執行緒1執行的程式碼
i = 10;

執行緒2執行的程式碼
j = i;
複製程式碼

    假設執行緒1先於執行緒2執行，並且CPU1執行執行緒1、CPU2執行執行緒2。

    當執行緒1執行 i =10這句時，會先把i的初始值載入到CPU1的快取記憶體中，然後賦值為10，那麼在CPU1的快取記憶體當中i的值變為10了，卻沒有立即寫入到記憶體當中。

  此時執行緒2執行 j = i，它會先去主存讀取i的值並載入到CPU2的快取當中，注意此時記憶體當中i   的值還是0，那麼就會使得j的值為0，而不是10。

  這就是可見性問題，執行緒1對變數i修改了之後，執行緒2沒有立即看到執行緒1修改的值。      當一個共享變數被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到記憶體中，當有其他執行緒需   要讀取時，它會去記憶體中讀取新值。

  • 有序性：

    大部分人會認為程式執行順序會和程式碼編寫順序一樣，其實不然。在JMM記憶體模型中允許編譯器和處理器對指令進行重新排序來進行優化、以便於CPU能夠並行執行指令，從而提高效率。

    在單執行緒中重排序的結果不會影響程式的執行結果，但卻會影響多執行緒並行執行的正確性了。 舉個簡單的栗子：

    Thread 1    Thread 2
1:r2 = A    3:r1 = b
2:b = 1     4:A = 2
複製程式碼

    從順序上看 (r2 == 2) 、(r1 == 1) 應該不可能出現，但如果被重排序成下列順序是就不一定了：

    Thread 1    Thread 2
b = 1       r1 = b
r2 = A      A = 2
複製程式碼

    再舉一個稍微複雜的例子：

    class order {
    int a = 0;
    boolean flag = false;
    public void writer() {
        a = 1;
        flag = true;
    }
    public void reader() {
        if (flag) {
            int i = a + 1;
            dosomething;
        }
    }
}
複製程式碼

    假設執行緒A先執行writer()方法，然後執行緒B執行reader()方法。當發生指令重排序後，writer()方法中的flag的寫入可能會先於a的寫入，造成執行緒B在執行reader方法時判斷正確併為i賦值。

    指令重排序帶來的可見性問題

    雖然指令重排序會帶來許多問題，但卻能有效提高效率，並且在序列程式碼中大家可放心：

    指令重排序可以保證序列語義一致，但沒有義務保證多執行緒之間的語義也一致。

Java虛擬機器還規定了些規則指定了哪些指令不能重排序

Happen-Before 規則：

  • 程式順序原則：一個執行緒內保證語義的序列性
  • volatile規則：volatile變數的寫，先傳送於讀，保證volatile變數的可見性
  • 鎖規則：解鎖必然先發生於隨後的加鎖前
  • 傳遞性：A先於B，B先於C，那麼A必然先於C
  • 執行緒的start()方法先於它的每一個動作
  • 執行緒的中斷先於被中斷程式的程式碼
  • 物件的建構函式的執行，結束先於finalized()方法

總的來說，volatile還涉及到JMM記憶體模型等相關知識。推薦大家去看《Java併發程式設計的藝術》和《Java高併發程式設計》，裡面講解更加透徹。

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