004Java并發之volatile關鍵字 · 面試突擊

# Java關鍵字volatile ## 提綱 ![](https://img.kancloud.cn/d0/97/d0972ed8bc45ec59cba59eb308055754_1614x1100.png) ## 定義語義上，volatile是表示易變的、不確定的。功能上，是Java提供的最輕量級的同步機制。 ## 前因：從CPU緩存架構類比JMM線程工作內存和主內存關系要弄懂如何保證可見性的，請看下圖，左側是CPU的緩存架構圖： ![](https://img.kancloud.cn/65/e5/65e5262acbf3bfdc13933e143d43576d_1492x1014.png) 如下圖是一些時間參考，可更加直觀的感受到各個組件的訪問速度。 ![](https://img.kancloud.cn/2f/d4/2fd4896988e5dfaba560b28d80246287_644x410.png) 因為CPU的執行速度和內存的讀寫速度，相差太大。 CPU完成操作后，如果要等到內存也執行完成再繼續下一個操作的話，對CPU算力就是極大的浪費。所以為了匹配2者的速度差，引入了高速緩存。現在CPU一般都有3級緩存，其中一級緩存離CPU核最近，速度也最快，可分為指令緩存和數據緩存2部分；下面是二級緩存，一個CPU核心就配備一個一級緩存和二級緩存的，是私有的。而三級緩存則是共享的，再下面是數據總線和主內存。如下圖是CPU的基本信息： ![](https://img.kancloud.cn/6e/40/6e40417b3a3113e1e8cf720cb2d0118a_870x858.png) 引入了高速緩存，雖然能讓CPU效率提升，但是也帶來了緩存一致性問題。為了解決這個問題，有兩種方案，一是通過總線鎖實現強一致性；二是緩存一致性協議，目前大多數采用的是MESI緩存一致性協議。（這2個方案都是硬件級別的） **隨著CPU技術的發展，在CPU硬件級別多是使用的第二種方式，因為鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內存，導致性能下降** 而對于Java并發環境下，多線程的共享數據一致性問題也是類似，Java內存模型參考上述的CPU緩存架構實現了自己的線程、工作內存和主內存的關系，如上圖里的右側部分。 ### 總線鎖所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個LOCK#信號，當一個處理器在總線上輸出此信號時，其他處理器的請求將被阻塞住，那么該處理器可以獨占共享內存，從而保證操作的原子性。 ### 緩存一致性協議MESI MESI協議是當前最主流的緩存一致性協議，在MESI協議中，每個緩存行有4個狀態，可用2個bit表示，它們分別是： ``` Modified（修改）：數據有效，數據被修改了，和內存中數據不一致，數據只存在于本Cache中。 Exclusive（獨享）：數據有效，數據和內存中的數據一致，數據只存在于本Cache中。 Shared（共享）：數據有效，數據和內存中的數據一致，數據存在多個Cache中。 Invalid（無效）：數據無效，一旦數據被標記為無效，那效果就等同于它從來沒被加載到緩存中。 ``` 其詳細狀態轉換如下： ![](https://img.kancloud.cn/de/b5/deb5659392a4b0093b82fc02ce18dfb4_872x1697.png) ## 特性因為Java內存模型對volatile關鍵字的支持，使得volatile修飾的變量（實例字段、靜態變量或者數組對象的元素，不包含局部變量，因為局部變量是線程私有的）具備了如下特性： * **多線程間的可見性** * **有序性，禁止指令重排序** * **不保證原子性，如volatile int i=1;i++；** ## volatile底層實現原理 ### volatile修飾的底層區別首先通過如下一段DCL（double check lock)程序來比對一下有volatile和沒有volatile修飾變量的在匯編指令上的區別： ~~~ public class VolatileSingleton { public static volatile VolatileSingleton instance; public static VolatileSingleton getInstance(){ if(instance == null){ synchronized(VolatileSingleton.class){ if(instance== null){ instance = new VolatileSingleton(); } } } return instance; } public static void main(String[] args) { VolatileSingleton.getInstance(); } } ~~~ 通過加上如下虛擬機參數，可以只顯示getInstance()方法的匯編指令： ``` # server模式運行 -server # 讓虛擬機編譯模式執行代碼 -Xcomp # 使用hsdis來顯示執行的匯編指令，不同平臺的hsdis插件請自行查閱安裝 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly # 如下2個命令，只打印關心部分的匯編指令，如果不指定會打印很多其他方法的匯編，造成混亂 # 編譯命令，不要內聯編譯getInstance方法 -XX:CompileCommand=dontinline,*VolatileSingleton.getInstance # 編譯命令，只編譯getInstance方法 -XX:CompileCommand=compileonly,*VolatileSingleton.getInstance ``` 最后將沒有加volatile修飾的匯編指令保存到novolatile.txt，加了volatile的保存到volatile.txt，再使用idea的compare with 對比如下圖： ![](https://img.kancloud.cn/ba/9f/ba9f0efe3d199c045164ee8f30fd39e4_2960x1572.png) 會發現加了volatile的會多出一行 **lock addl $0x0,(%rsp)** 的匯編指令，這個指令是一個內存屏障。指令`lock addl $0x0,(%esp)`是一個空操作，關鍵在于 lock 前綴，查詢 IA32 手冊，它的作用是使得本 CPU 的 Cache 寫入了內存，該寫入動作也會引起別的 CPU invalidate 其 Cache。所以通過這樣一個空操作，可讓前面 volatile 變量的修改對其他 CPU 立即可見。 ### volatile基于軟內存屏障實現可見性和有序性 ![](https://img.kancloud.cn/8c/12/8c1288f4d4ac3550ae016c72ed8fe13b_1600x1298.png) 通過內存屏障指令lock，如果有修改，處理器會將該變量所在緩存行的數據會寫到主內存，并使得其他CPU里該變量所在的緩存行失效，從而保證該變量的可見性。而且內存屏障會保證后面的指令不會重排序到屏障前面，從而保證有序性。 #### 可見性定義對于共享變量a，當線程1修改a的值后，其他線程能立即知道這個修改，就說變量a對所有線程有可見性。 #### 可見性例子 ~~~ /** * volatile 可見性測試 */ public class VolatileVisibilityTest { private static volatile boolean ready; private static int number; private static class ReaderThread extends Thread{ @Override public void run() { while (!ready); System.out.println(number); } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { new ReaderThread().start(); Thread.sleep(1000); number = 42; ready = true; Thread.sleep(10000); } } /** * 因為JMM保證了volatile變量ready的可見性，在main線程中修改為true； * ReaderThread線程能應用到這個修改，則while(!ready)循環得以跳過。 * 則輸出42，,10秒后退出程序。如果ready沒有修飾為volatile，則沒有可見性，線程Reader會陷入死循環，程序永遠不會停止。 */ ~~~ ### volatile不保證原子性比如復雜操作，i++; ~~~ /** * volatile不保證原子性 * @Author: mango * @Date: 2022/7/4 11:32 下午 */ public class VolatileNoAtomicTest { private static volatile int number = 0; static class AdderThread extends Thread{ @Override public void run() { for(int i=0;i<10000;i++){ number++; } } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread t1 = new AdderThread(); t1.start(); Thread t2 = new AdderThread(); t2.start(); t1.join(); t2.join(); System.out.println(number); } } /** * 結果： * 有時候輸出小于20000的值，說明number++無法保證原子性 */ ~~~ ## volatile優化追加volatile變量的寬度為操作系統緩存行的寬度，一般為64字節。Java中對象的引用是4字節，`LinkedTransferQueue`會在每個入隊元素的對象引用后填充60個字節，將元素補齊到64字節來提升并發下的入隊和出隊效率。使用追加到64字節的方式來填滿高速緩沖區的緩存行，避免頭接點和尾節點加載到同一個緩存行，使得頭尾節點在修改時不會互相鎖定。 ### 不需要補齊到64字節的場景 1. 系統的緩存行不是64字節的，有的是32字節。 2. 共享變量不會被頻繁的寫。 ## 參考文檔 * 書籍：葛一鳴 *《Java高并發程序設計第二版》 * 網上文章：https://www.cnblogs.com/zhangxl1016/articles/16001715.html * 網上文章：https://blog.csdn.net/stackfuture/article/details/122252734 * 網上文章：https://www.cnblogs.com/hbbbs/articles/12116286.html