多个线程的工作内存彼此独立,互不可见,线程启动的时候,虚拟机为每个内存分配一块工作内存,不仅包含了线程内部定义的局部变量,也包含了线程所需要使用的共享变量的副本,是为了提高效率。
在之前的示例中,线程不安全的问题,我们使用线程同步,也就是通过 synchronized 关键字,对操作的对象加锁,屏蔽了其他线程对这块代码的访问,从而保证安全。
这里的 volatile 尝试从另一个角度解决这个问题,那就是保证变量可见,有说法将其称之为轻量级的synchronized。
volatile保证变量可见:简单来说就是,当线程 A 对变量 X 进行了修改后,在线程 A 后面执行的其他线程能够看到 X 的变动,就是保证了 X 永远是最新的。更详细的说,就是要符合以下两个规则:
线程对变量进行修改后,要立刻写回主内存;
线程对变量读取的时候,要从主内存读,而不是缓存。
另一个角度,结合指令重排序的问题,volatile修饰的内存空间,在这上面执行的指令是禁止乱序的。因此,在单例模式的 DCL 写法中,volatile是必须的元素。
1|11.1 示例1
private static int num = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { new Thread(()->{ while (num == 0){ } }).start(); Thread.sleep(1000); num = 1; }
代码死循环,因为主线程里的 num = 1,不能及时将数据变化更新到主存,因此上面的代码 while 条件持续为真。
因此可以给变量加上 volatile:
private volatile static int num = 0;
这样就在执行几秒后就会停止运行。
1|21.2 Double-Checked-Locking
在设计模式里的单例模式,如果在多线程的情况下,仍然要保证始终只有一个对象,就要进行同步和锁。
class DCL{ private static volatile DCL instance; private DCL(){ } public static DCL getInstance(){ if (instance == null){/eck1 synchronized (DCL.class){ if (instance == null){/eck2 instance = new DCL(); } } } return instance; } }
双重校验锁,实现线程安全的单例锁。
volatile不能保证原子性。
1|31.3 原子性问题
原子操作就是这个操作要么执行完,要么不执行,不可能卡在中间。
比如 i = 2,这个指令就是具有原子性的,而 i++ 则不是,事实上 i++ 也是先拿 i,再修改,再重新赋值给 i 。
例如你让一个volatile的integer自增(i++),其实要分成3步:
1)读取volatile变量值到local;
2)增加变量的值;
3)把local的值写回,让其它的线程可见。
这3步的jvm指令为:
mov 0xc(%r10),%r8d ; Loadinc %r8d ; Incrementmov %r8d,0xc(%r10) ; Storelock addl $0x0,(%rsp) ; StoreLoad Barrier
最后一步是内存屏障。
什么是内存屏障?
内存屏障告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行,后于这个命令的必须后执行,同时强制更新一次不同CPU的缓存,也就是通过这个操作,使得 volatile 关键字达到了所谓的变量可见性。
这个时候我们就知道,一个操作并不是只有一步,而中间的几步,如果其他的CPU修改了值,将会都产生覆盖,还是会出现不安全的情况,这就导致了 volatile 无法保证原子性。
以前的 ++ 操作示例,加上 synchronized 后结果就正确了,如果用 volatile 不用 synchronized呢?示例代码:
public class NoAtomic { private static volatile int num = 0; public static void main(String[] args) throws InterruptedException { for (int i=0; i<100; i++){ new Thread(()->{ for (int j=0; j < 100; j++){ num++; } }).start(); } Thread.sleep(3000); System.out.println(num); } }
可以发现,输出结果小于预期,虽然 volatile 保证了可见性,但是却不能保证操作的原子性。
因此想要保证原子性,还是得回去找 synchronized 或者使用原子类。
2|0二、volatile 和 synchronized 的区别
volatile 本质是在告诉 jvm 当前变量在寄存器(工作内存)中的值是不确定的,需要从主存中读取;synchronized 则是锁定当前变量,只有当前线程可以访问该变量,其他线程被阻塞住。
volatile 仅能使用在变量级别;synchronized则可以使用在变量、方法、和类级别的。
volatile 仅能实现变量的修改可见性,不能保证原子性;而 synchronized 则可以保证变量的修改可见性和原子性。
volatile 不会造成线程的阻塞;synchronized 可能会造成线程的阻塞。
不过:现在基本不会用到 volatile,因为硬件层面,从工作内存到主存的更新速度已经提升的很快。
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