前言
最近在看并發編程藝術這本書，對看書的一些筆記及個人工作中的總結。
volatile是輕量級的synchronized，它在多處理器開發中保證了共享變量的“可見性”.可見性指的是當一個線程修改一個共享變量時，另外一個線程讀到這個修改的值。如果volatile關鍵字使用恰當的話，它比synchronized的使用和執行成本更低，因為其不會引起線程上下文的切換和調度。
看一個demo：
public class VolatileTest extends Thread{
//volatile
private volatile boolean isRunning = true;
//private boolean isRunning = true;
private void setRunning(boolean isRunning){
this.isRunning = isRunning;
}
public void run(){
System.out.println("進入run方法..");
int i = 0;
while(isRunning == true){
//..
}
System.out.println("線程停止");
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileTest rt = new VolatileTest();
rt.start();
Thread.sleep(3000);
rt.setRunning(false);
System.out.println("isRunning的值已經被設置了false");
Thread.sleep(1000);
System.out.println(rt.isRunning);
}
}
| 中文名詞 | 英文名詞 | 說明 |
|---|---|---|
| 內存屏障 | memory barriers | 是一組處理器指令，用于實現對內存操作的順序限制 |
| 緩沖行 | cache line | 緩存中可以分配的最小存儲單位。處理器填寫緩存線時會加載整個緩存線，需要使用多個主內存讀周期 |
| 原子操作 | atomic operations | 不可中斷的一個或一系列操作 |
| 緩存行填充 | cache line fill | 當處理器識別到從內存中讀取操作數是可緩存的，處理器讀取整個緩存行到適合的緩存（l1，l2，l3的或所有） |
| 緩存命中 | cache hit | 如果進行高速緩存行填充操作的內存位置仍然是下次處理器訪問的地址時，處理器從緩存中讀取操作數，而不是從內存讀取 |
| 寫命中 | write hit | 當處理器將操作數寫回到一個內存緩存的區域時，它首先會檢查這個緩存的內存地址是否在緩存行中，如果存在一個有效的緩存行，則處理器將這個操作數寫回到緩存行，而不是寫回到內存，這個操作被稱為寫命中 |
volatile boolean isRunning = true; //isRunning是volatile修飾的變量
轉變成匯編語言：
0x01a3de1d: movb $0x0,0x1104800(%esi);0x01a3de24: **lock** addl $0x0,(%esp);
lock指令在多核處理器下會引發了二件事情：
- 將當前處理器緩存行的數據寫回到系統內存
- 這個寫回內存的操作會使在其他cpu里緩存了該內存地址的數據無效。
為了提高處理速度，處理器不直接和內存進行通信，而是將系統內存讀到內部緩存（l1，l2或其他）后進行操作，但操作完不知道何時會寫到內存。如果對聲明了volatile的變量進行寫操作，jvm就會向處理器發送一條lock前綴的指令，將這個變量所在緩存行的數據寫回到系統內存。但是就算寫到了內存，如果其他處理器緩存還是舊的，再執行計算操作就會有問題。所以，在多處理器下，為了保證各個處理器的緩存時一致的，就會實現緩存一致性協議，每個處理器通過嗅探在總線上傳播的數據來檢查自己緩存的值是不是過期了，當處理器發現自己緩存行對應的內存地址被修改了，就會將當前處理器的緩存行地址被修改，就會將當前處理器的緩存行設置成無效狀態，當處理器對著數據進行修改操作的時候，會重新從系統內存中把數據讀到處理器緩存里。
volatile的特性
只要它是volatile變量，對該變量的讀/寫就具有原子性。如果是多個volatile操作或類似于volatile++這種復合操作，這些操作整體上不具有原子性。
簡而言之，volatile變量自身具有下列特性。
- 可見性。對一個volatile變量的讀，總是能看到（任意線程）對這個volatile變量最后的寫入。
- 原子性：對任意單個volatile變量的讀/寫具有原子性，但類似于volatile++這種復合操作不具有原子性。
看個demo：
public class VolatileTest2 extends Thread{
private static volatile int count;
private static void addCount(){
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
count++ ;
}
System.out.println(count); //85821，如果是具有原子性的，那么打印出來的應該是100000
}
public void run(){
addCount();
}
public static void main(String[] args) {
VolatileTest2[] arr = new VolatileTest2[100];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
arr[i] = new VolatileTest2();
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
arr[i].start();
}
}
}
結果：
14024
19308
31530
33912
44302
52539
62539
78652
79881
85821
當每個線程循環1000次的時候，打印出來的結果大多情況下是10000，說明volatile++的時候在次數比較少的時候還是具有原子特性的。
如果想要是的類型++具有原子特性可以使用并發包下提供的AtomicInteger類。
volatile的內存語義
volatile讀的內存語義如下：
當讀一個volatile變量時，JMM會把該線程對應的本地內存置為無效。線程接下來將從主內存中讀取共享變量。
下面對volatile寫和volatile讀的內存語義做個總結。
- 線程A寫一個volatile變量，實質上是線程A向接下來將要讀這個volatile變量的某個線程發出了（其對共享變量所做修改的）消息。
- 線程B讀一個volatile變量，實質上是線程B接收了之前某個線程發出的（在寫這個volatile變量之前對共享變量所做修改的）消息。
- 線程A寫一個volatile變量，隨后線程B讀這個volatile變量，這個過程實質上是線程A通過主內存向線程B發送消息。
volatile的內存語義實現
- 當第二個操作是volatile寫時，不管第一個操作是什么，都不能重排序。這個規則確保volatile寫之前的操作不會被編譯器重排序到volatile寫之后。
- 當第一個操作是volatile讀時，不管第二個操作是什么，都不能重排序。這個規則確保volatile讀之后的操作不會被編譯器重排序到volatile讀之前。
- 當第一個操作是volatile寫，第二個操作是volatile讀時，不能重排序。
為了實現volatile的內存語義，編譯器在生成字節碼時，會在指令序列中插入內存屏障來禁止特定類型的處理器重排序。對于編譯器來說，發現一個最優布置來最小化插入屏障的總數幾乎不可能。為此，JMM采取保守策略。下面是基于保守策略的JMM內存屏障插入策略。
- 在每個volatile寫操作的前面插入一個StoreStore屏障。
- 在每個volatile寫操作的后面插入一個StoreLoad屏障。
- 在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadLoad屏障。
- 在每個volatile讀操作的后面插入一個LoadStore屏障。
由于volatile僅僅保證對單個volatile變量的讀/寫具有原子性，而鎖的互斥執行的特性可以確保對整個臨界區代碼的執行具有原子性。在功能上，鎖比volatile更強大；在可伸縮性和執行性能上，volatile更有優勢。
其實在執行volatile讀寫的時候會插入不同的內存屏障，不同的處理器比如說32位處理器和x86處理器的屏障也不一樣，增加了內存屏障導致單個volatile讀寫具有原子性。
注：
JMM是指java內存模型
