Volatile可見性分析（一）

MXC肖某某發表於2020-04-18
  • JUC（java.util.concurrent）
  • 程式和執行緒
  • 程式：後臺執行的程式（我們開啟的一個軟體，就是程式）
  • 執行緒：輕量級的程式，並且一個程式包含多個執行緒（同在一個軟體內，同時執行視窗，就是執行緒）
  • 併發和並行
  • 併發：同時訪問某個東西，就是併發
  • 並行：一起做某些事情，就是並行
  • JUC下的三個包
  • java.util.concurrent
  • java.util.concurrent.atomic
  • java.util.concurrent.locks

談談對Volatile的理解

Volatile在日常的單執行緒環境是應用不到的

  • Volatile是Java虛擬機器提供的輕量級的同步機制（三大特性）
  • 保證可見性
  • 不保證原子性
  • 禁止指令重排

JMM是什麼

JMM是Java記憶體模型，也就是Java Memory Model，簡稱JMM，本身是一種抽象的概念，實際上並不存在，它描述的是一組規則或規範，通過這組規範定義了程式中各個變數（包括例項欄位，靜態欄位和構成陣列物件的元素）的訪問方式

JMM關於同步的規定：

  • 執行緒解鎖前，必須把共享變數的值重新整理回主記憶體
  • 執行緒解鎖前，必須讀取主記憶體的最新值，到自己的工作記憶體
  • 加鎖和解鎖是同一把鎖

由於JVM執行程式的實體是執行緒，而每個執行緒建立時JVM都會為其建立一個工作記憶體（有些地方稱為棧空間），工作記憶體是每個執行緒的私有資料區域，而Java記憶體模型中規定所有變數都儲存在主記憶體，主記憶體是共享記憶體區域，所有執行緒都可以訪問，但執行緒對變數的操作（讀取賦值等）必須在工作記憶體中進行，首先要將變數從主記憶體拷貝到自己的工作記憶體空間，然後對變數進行操作，操作完成後再將變數寫會主記憶體，不能直接操作主記憶體中的變數，各個執行緒中的工作記憶體中儲存著主記憶體中的變數副本拷貝，因此不同的執行緒間無法訪問對方的工作記憶體，執行緒間的通訊（傳值）必須通過主記憶體來完成，其簡要訪問過程：

資料傳輸速率：硬碟 < 記憶體 < < cache < CPU

上面提到了兩個概念：主記憶體 和 工作記憶體

  • 主記憶體：就是計算機的記憶體，也就是經常提到的8G記憶體，16G記憶體

  • 工作記憶體：但我們例項化 new student，那麼 age = 25 也是儲存在主記憶體中

  • 當同時有三個執行緒同時訪問 student中的age變數時，那麼每個執行緒都會拷貝一份，到各自的工作記憶體，從而實現了變數的拷貝

即：JMM記憶體模型的可見性，指的是當主記憶體區域中的值被某個執行緒寫入更改後，其它執行緒會馬上知曉更改後的值，並重新得到更改後的值。

JMM的特性

JMM的三大特性，volatile只保證了兩個，即可見性和有序性，不滿足原子性

  • 可見性
  • 原子性
  • 有序性

可見性程式碼驗證

但我們對於成員變數沒有新增任何修飾時，是無法感知其它執行緒修改後的值

package com.moxi.interview.study.thread;

/**
* Volatile Java虛擬機器提供的輕量級同步機制
*
* 可見性（及時通知）
* 不保證原子性
* 禁止指令重排
*
*/

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * 假設是主實體記憶體
 */
class MyData {

    int number = 0;

    public void addTo60() {
        this.number = 60;
    }
}

/**
 * 驗證volatile的可見性
 * 1. 假設int number = 0， number變數之前沒有新增volatile關鍵字修飾
 */
public class VolatileDemo {

    public static void main(String args []) {

        // 資源類
        MyData myData = new MyData();

        // AAA執行緒 實現了Runnable介面的，lambda表示式
        new Thread(() -> {

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t come in");

            // 執行緒睡眠3秒，假設在進行運算
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 修改number的值
            myData.addTo60();

            // 輸出修改後的值
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t update number value:" + myData.number);

        }, "AAA").start();

        while(myData.number == 0) {
            // main執行緒就一直在這裡等待迴圈，直到number的值不等於零
        }

        // 按道理這個值是不可能列印出來的，因為主執行緒執行的時候，number的值為0，所以一直在迴圈
        // 如果能輸出這句話，說明AAA執行緒在睡眠3秒後，更新的number的值，重新寫入到主記憶體，並被main執行緒感知到了
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t mission is over");

        /**
         * 最後輸出結果：
         * AAA	 come in
         * AAA	 update number value:60
         * 最後執行緒沒有停止，並行沒有輸出  mission is over 這句話，說明沒有用volatile修飾的變數，是沒有可見性
         */

    }
}

輸出結果為

最後執行緒沒有停止，並行沒有輸出 mission is over 這句話，說明沒有用volatile修飾的變數，是沒有可見性

當我們修改MyData類中的成員變數時，並且新增volatile關鍵字修飾

/**
 * 假設是主實體記憶體
 */
class MyData {
    /**
     * volatile 修飾的關鍵字，是為了增加 主執行緒和執行緒之間的可見性，只要有一個執行緒修改了記憶體中的值，其它執行緒也能馬上感知
     */
    volatile int number = 0;

    public void addTo60() {
        this.number = 60;
    }
}

最後輸出的結果為：

主執行緒也執行完畢了，說明volatile修飾的變數，是具備JVM輕量級同步機制的，能夠感知其它執行緒的修改後的值。

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