java中多線程volatile內存語義的示例分析

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　　volatile關鍵字是java虛擬機提供的最輕量級額的同步機制。由于volatile關鍵字與java內存模型相關，因此，我們在介紹volatile關鍵字之前，對java內存模型進行更多的補充（之前的博文也曾介紹過）。

　　1. java內存模型（JMM）

　　JMM是一種規范，主要用于定義共享變量的訪問規則，目的是解決多個線程本地內存與共享內存的數據不一致、編譯器處理器的指令重排序造成的各種線程安全問題，以保障多線程編程的原子性、可見性和有序性。

　　JMM規定了所有的變量都存儲在主內存中，每條線程還有自己的工作內存，線程中的工作內存中存儲了該線程用到的變量的主內存的拷貝，各線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行，
線程之間的變量值的傳遞都必須通過主內存來進行。

　　JMM定義了8中操作實現主內存與工作內存的交互協議：

• 　　　　1）lock：作用于主內存，它把一個變量標識為一條線程的獨占狀態。

• 　　　　2）unlock：作用于主內存，它把一個處于鎖定狀態的變量的釋放出來。

• 　　　　3）read：作用于主內存，它把一個變量的值從主內存傳輸到線程的工作內存中。

• 　　　　4）load：作用于工作內存，它把從主內存中read到的值放入工作內存的變量副本中。

• 　　　　5）use：作用于工作內存，它把一個變量的值從主內存傳遞給執行引擎

• 　　　　6）assign：作用與工作內存，它把一個從執行引擎接收到的值賦值給工作內存的變量。

• 　　　　7）store：作用于工作內存，把工作內存中一個變量的值傳送到主內存。

• 　　　　8）write：作用于主內存，它把store操作從工作內存中得到的值放入主內存中的變量中。

　　這8中操作以及對著8中操作的規則的限制就能確定哪些內存訪問在并發條件下是線程安全的，這種方式比較繁瑣，jdk1.5之后提出了提出了happens-before規則來判斷線程是否安全。

　　可以這么理解，happens-before規則是JMM的核心.Happens-before就是用來確定兩個操作的執行順序。這兩個操作可在同一線程中，也可以在兩個線程中。

happens-before規定：如果一個操作happens-before另個一操作，那么第一個操作的結果對第二個操作可見（但這并不意味著處理器必須按照happens-before順序執行，只要不改變執行結果，可任意優化）。happens-before規則已在前邊博文中介紹，這里不再重復（http://www.cnblogs.com/gdy1993/p/9117331.html）

　　JMM內存規則僅僅是一種規則，規則的最終落實是通過java虛擬機、編譯器以及處理器一同協作來落實的，而內存屏障是java虛擬機、編譯器、處理器之間溝通的紐帶。

而java原因封裝了這些底層的具體實現與控制，提供了synchronized、lock和volatile等關鍵字的來保障多線程安全問題。

　　2. volatile關鍵字

　　（1）volatile對可見性的保證

　　在介紹volatile關鍵字之前，先來看這樣一段代碼：

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

　　有兩個線程：線程1和線程2，線程1在stop==false時，不停的執行doSomething()方法；線程2在執行到一定情況時，將stop設置為true，將線程1中斷，很多人采用這種方式中斷線程，但這并不是安全的。因為stop作為一個普通變量，線程2對其的修改，并不能立刻被線程1所感知，即線程1對stop的修改僅僅在自己的工作內存中，還沒來的急寫入主內存，線程2工作內存中的stop并未修改，可能導致線程無法中斷，雖然這種可能性很小，但一旦發生，后果嚴重。

　　而使用volatile變量修飾就能避免這個問題，這也是volatile第一個重要含義：

　　　　volatile修飾的變量，能夠保證不同線程對這個變量操作的可見性，即一個線程修改了這個變量的值，這個新值對于其他線程是立即可見的。

　　　　volatile的對可見性保證的原理：

　　對于volatile修飾的變量，當某個線程對其進行修改時，會強制將該值刷新到主內存，這就使得其他線程對該變量在各自工作內存中的緩存無效，因而在其他線程對該變量進行操作時，必須從主內存中重新加載

　　　（2）volatile對原子性的保障？

　　首先來看這樣一段代碼（深入理解java虛擬機）：

public class VolatileTest {
  public static volatile int race = 0;
  
  public static void increase() {
    race++;
  }
  
  public static final int THREAD_COUNT = 20;
  
  public static void main(String[] args) {
    Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];
    for (Thread t : threads) {
      t = new Thread(new Runnable() {
        
        @Override
        public void run() {
          for(int i = 0; i < 10000; i++) {
            increase();
          }
        }
      });
      t.start();
    }
    
    while(Thread.activeCount() > 1) {
      Thread.yield();
    }
    
    System.out.println(race);//race < 200000
    
  }
}

　　race是volatile修飾的共享變量，創建20個線程對這個共享變量進行自增操作，每個線程自增的次數為10000次，如果volatile能夠保證原子性的話，最終race的結果肯定是200000。但結果不然，每次程序運行race'的值總是小于200000，這也側面證明了volatile并不能保證共享變量操作的原子性。原理如下：

　　線程1讀取了race的值，然后cp分配的時間片結束，線程2此時讀取了共享變量的值，并對race進行自增操作，并將操作后的值刷新到主內存，此時線程1已經讀取了race的值，因此保留的依然是原來的值，此時這個值已是舊值，對race進行自增操作后刷新到主內存，因此主內存中的值也是舊值。這也是volatile僅僅能保障讀到的是相對新值的原因。

　　（3）volatile對有序性的保障

　　首先來看這樣一段代碼：

//線程1
    boolean initialized = false;
    context = loadContext();
    initialized = true;
    //線程2
    while(!initialized) {
      sleep();
    }
    doSomething(context);

　　線程2在initialized變量為true時，使用context變量完成一些操作；線程1負責加載context，并在加載完成后將initialized變量設為true。但是，由于initialized只是一個普通變量，普通變量僅僅能夠保證在該方法的執行過程中，所有依賴賦值結果的地方都能獲得正確的值，而不能保證變量的賦值順序與程序代碼的執行順序一致。因此就可能出現這樣一種情況，當線程1將initialized變量設為true時，context依然沒有加載完成，但線程2由于讀到initialized為true，就可能執行了doSomething()方法，可能會產生非常奇怪的效果。

　　而volatile的第二個語義就是禁止重排序：　

　　　　寫volatile變量的操作與該操作之前的任何讀寫操作都不會被重排序；

　　　　讀volatile變量操作與該操作之后的任何讀寫操作都不會重排序。

　　（4） volatile的底層實現原理

　　java語言底層是通過內存屏障來實現volatile語義的。

　　對于volatile變量的寫操作：

　　①java虛擬機會在該操作之前插入一個釋放屏障（loadstore+storestore）,釋放屏障禁止了volatile變量的寫操作與該操作之前的任何讀寫操作的重排序。

　　②java虛擬機會在該操作之后插入一個存儲屏障（storeload），存儲屏障使得對volatile變量的寫操作能夠同步到主內存。

　　對于volatile變量的讀操作：

　　③java虛擬機會在該操作之前插入一個loadload，使得每次對volatile變量的讀取都從主內存中重新加載（刷新處理器緩存）

　　④java虛擬機會在該操作之后插入一個獲得屏障（loadstore+loadload），使得volatile后的任何讀寫操作與該操作進行重排序。

　　①③保障可見性，②④保障有序性。

　　（5）volatile關鍵字與happens-before的關系

　　Happens-before規則中的volatile規則為：對于一個volatile域的寫happens-before后續每一個針對該變量的讀操作。

　　寫線程執行write(),然后讀線程執行read()方法，圖中每個箭頭都代表一個happens-before關系，黑色箭頭是根據程序順序規則，藍色箭頭根據volatile規則，紅色箭頭是根據傳遞性推出的，即操作2happens-before操作3，即對volatile共享變量的更新操作排在后續讀取操作之前，對volatile變量的修改對后續volatile變量的讀取可見。

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