谈谈你对volatile的理解

jacheut / 81 / 2023-09-23 20:44:23

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缓存不一致性问题

为了解决缓存不一致性问题,通常来说有以下2种解决方法:

1)通过在总线加LOCK#锁的方式

2)通过缓存一致性协议

这2种方式都是硬件层面上提供的方式。

在早期的CPU当中,是通过在总线上加LOCK#锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的,如果对总线加LOCK#锁的话,也就是说阻塞了其他CPU对其他部件访问(如内存),从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如如果一个线程在执行 i = i +1,如果在执行这段代码的过程中,在总线上发出了LCOK#锁的信号,那么只有等待这段代码完全执行完毕之后,其他CPU才能从变量i所在的内存读取变量,然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。

但是上面的方式会有一个问题,由于在锁住总线期间,其他CPU无法访问内存,导致效率低下。

所以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议,MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是:当CPU写数据时,如果发现操作的变量是共享变量,即在其他CPU中也存在该变量的副本,会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态,因此当其他CPU需要读取这个变量时,发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的,那么它就会从内存重新读取。

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volatile的内存语义

volatile可以保证线程可见性且提供了一定的有序性,但是无法保证原子性。在JVM底层volatile是采用“内存屏障”来实现的。

1.volatile关键字的两层语义

一旦一个共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量)被volatile修饰之后,那么就具备了两层语义:

1)保证了不同线程对这个变量进行操作时的可见性,即一个线程修改了某个变量的值,这新值对其他线程来说是立即可见的。

2)禁止进行指令重排序。

先看一段代码,假如线程1先执行,线程2后执行:

//线程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
 
//线程2
stop = true;

这段代码是很典型的一段代码,很多人在中断线程时可能都会采用这种标记办法。但是事实上,这段代码会完全运行正确么?即一定会将线程中断么?不一定,也许在大多数时候,这个代码能够把线程中断,但是也有可能会导致无法中断线程(虽然这个可能性很小,但是只要一旦发生这种情况就会造成死循环了)。

下面解释一下这段代码为何有可能导致无法中断线程。在前面已经解释过,每个线程在运行过程中都有自己的工作内存,那么线程1在运行的时候,会将stop变量的值拷贝一份放在自己的工作内存当中。

那么当线程2更改了stop变量的值之后,但是还没来得及写入主存当中,线程2转去做其他事情了,那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改,因此还会一直循环下去。

但是用volatile修饰之后就变得不一样了:

第一:使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;

第二:使用volatile关键字的话,当线程2进行修改时,会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效(反映到硬件层的话,就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效);

第三:由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时(当然这里包括2个操作,修改线程2工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,然后线程1读取时,发现自己的缓存行无效,它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后,然后去对应的主存读取最新的值。

那么线程1读取到的就是最新的正确的值。

观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现,加入volatile关键字时,会多出一个lock前缀指令。lock前缀指令其实就相当于一个内存屏障。内存屏障是一组处理指令,用来实现对内存操作的顺序限制。volatile的底层就是通过内存屏障来实现的。

2. volatile能保证有序性吗?

在前面提到volatile关键字能禁止指令重排序,所以volatile能在一定程度上保证有序性。

volatile关键字禁止指令重排序有两层意思:

1)当程序执行到volatile变量的读操作或者写操作时,在其前面的操作的更改肯定全部已经进行,且结果已经对后面的操作可见;在其后面的操作肯定还没有进行;

2)在进行指令优化时,不能将在对volatile变量访问的语句放在其后面执行,也不能把volatile变量后面的语句放到其前面执行。

举个简单的例子:

//x、y为非volatile变量
//flag为volatile变量
 
x = 2;        //语句1
y = 0;        //语句2
flag = true;  //语句3
x = 4;         //语句4
y = -1;       //语句5

由于flag变量为volatile变量,那么在进行指令重排序的过程的时候,不会将语句3放到语句1、语句2前面,也不会讲语句3放到语句4、语句5后面。但是要注意语句1和语句2的顺序、语句4和语句5的顺序是不作任何保证的。

并且volatile关键字能保证,执行到语句3时,语句1和语句2必定是执行完毕了的,且语句1和语句2的执行结果对语句3、语句4、语句5是可见的。

3.volatile的原理和实现机制

前面讲述了源于volatile关键字的一些使用,下面我们来探讨一下volatile到底如何保证可见性和禁止指令重排序的。

下面这段话摘自《深入理解Java虚拟机》:

“观察加入volatile关键字和没有加入volatile关键字时所生成的汇编代码发现,加入volatile关键字时,会多出一个lock前缀指令”

lock前缀指令实际上相当于一个内存屏障(也成内存栅栏),内存屏障会提供3个功能:

1)它确保指令重排序时不会把其后面的指令排到内存屏障之前的位置,也不会把前面的指令排到内存屏障的后面;即在执行到内存屏障这句指令时,在它前面的操作已经全部完成;

2)它会强制将对缓存的修改操作立即写入主存;

3)如果是写操作,它会导致其他CPU中对应的缓存行无效。

使用volatile关键字的场景

synchronized关键字是防止多个线程同时执行一段代码,那么就会很影响程序执行效率,而volatile关键字在某些情况下性能要优于synchronized,但是要注意volatile关键字是无法替代synchronized关键字的,因为volatile关键字无法保证操作的原子性。通常来说,使用volatile必须具备以下2个条件:

1)对变量的写操作不依赖于当前值

2)该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

实际上,这些条件表明,可以被写入 volatile 变量的这些有效值独立于任何程序的状态,包括变量的当前状态。

事实上,我的理解就是上面的2个条件需要保证操作是原子性操作,才能保证使用volatile关键字的程序在并发时能够正确执行。

下面列举几个Java中使用volatile的几个场景。

1.状态标记量

volatile boolean flag = false;
 
while(!flag){
    doSomething();
}
 
public void setFlag() {
    flag = true;
}

volatile boolean inited = false;
//线程1:
context = loadContext();  
inited = true;            
 
//线程2:
while(!inited ){
sleep()
}
doSomethingwithconfig(context);

2.double check

class Singleton{
    private volatile static Singleton instance = null;
 
    private Singleton() {
 
    }
 
    public static Singleton getInstance() {
        if(instance==null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if(instance==null)
                    instance = new Singleton();
            }
        }
        return instance;
    }
}

volatile的内存语义实现

为了实现volatile内存语义,编译器在生成字节码时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。对于编译器来说,发现一个最优布置来最小化插入屏障的总数几乎是不可能的,为此,JMM采取了保守策略:

  1. 在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障;
  2. 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障;
  3. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障;
  4. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

需要注意的是:volatile写是在前面和后面分别插入内存屏障,而volatile读操作是在后面插入两个内存屏障

StoreStore屏障:禁止上面的普通写和下面的volatile写重排序;

StoreLoad屏障:防止上面的volatile写与下面可能有的volatile读/写重排序

LoadLoad屏障:禁止下面所有的普通读操作和上面的volatile读重排序

LoadStore屏障:禁止下面所有的普通写操作和上面的volatile读重排序

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作者
jacheut
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CC BY 4.0
发布于
2023-09-23
修改于
2024-05-28
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