[高效并发]之Volatile关键字整理

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概述

多任务处理在现代计算机操作系统中几乎已是一项必备的功能了。在许多场景下,让计算机同时
去做几件事情,不仅是因为计算机的运算能力强大了,还有一个很重要的原因是计算机的运算速度与
它的存储和通信子系统的速度差距太大,大量的时间都花费在磁盘I/O、网络通信或者数据库访问上。
如果不希望处理器在大部分时间里都处于等待其他资源的空闲状态,就必须使用一些手段去把处理器
的运算能力“压榨”出来,否则就会造成很大的性能浪费,而让计算机同时处理几项任务则是最容易想
到,也被证明是非常有效的“压榨”手段。

硬件的效率与一致性

我们先花费一点时间去了解一下物理计算机中的并
发问题。物理机遇到的并发问题与虚拟机中的情况有很多相似之处,物理机对并发的处理方案对虚拟
机的实现也有相当大的参考意义。

“让计算机并发执行若干个运算任务”与“更充分地利用计算机处理器的效能”之间的因果关系,看
起来理所当然,实际上它们之间的关系并没有想象中那么简单,其中一个重要的复杂性的来源是绝大
多数的运算任务都不可能只靠处理器“计算”就能完成。处理器至少要与内存交互,如读取运算数据、
存储运算结果等,这个I/O操作就是很难消除的(无法仅靠寄存器来完成所有运算任务)。由于计算机
的存储设备与处理器的运算速度有着几个数量级的差距,所以现代计算机系统都不得不加入一层或多
层读写速度尽可能接近处理器运算速度的高速缓存(Cache)来作为内存与处理器之间的缓冲:将运算
需要使用的数据复制到缓存中,让运算能快速进行,当运算结束后再从缓存同步回内存之中,这样处
理器就无须等待缓慢的内存读写了。

基于高速缓存的存储交互很好的解决了处理器与内存速度之间的矛盾,但是也给计算机系统带来了更高的复杂度,它引入了一个新的问题:缓存一致性。在多路处理器系统中,每个处理器都有自己的高速缓存,而它们又共享同一主内存,如下图所示,当多个处理器的运算任务都涉及
同一块主内存区域时,将可能导致各自的缓存数据不一致。如果真的发生这种情况,那同步回到主内
存时该以谁的缓存数据为准呢?为了解决一致性的问题,需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协
议,在读写时要根据协议来进行操作,这类协议有MSI、MESI(Illinois Protocol)、MOSI、
Synapse、Firefly及Dragon Protocol等。“内存模型”一词,它可以理解
为在特定的操作协议下,对特定的内存或高速缓存进行读写访问的过程抽象。不同架构的物理机器可
以拥有不一样的内存模型,而Java虚拟机也有自己的内存模型,并且与这里介绍的内存访问操作及硬
件的缓存访问操作具有高度的可类比性。

image.png

Java内存模型

定义Java内存模型并非一件容易的事情,这个模型必须定义得足够严谨,才能让Java的并发内存访
问操作不会产生歧义;但是也必须定义得足够宽松,使得虚拟机的实现能有足够的自由空间去利用硬
件的各种特性(寄存器、高速缓存和指令集中某些特有的指令)来获取更好的执行速度。经过长时间的验证和修补,直至JDK 5(实现了JSR-133[3])发布后,Java内存模型才终于成熟、完善起来了。

主内存和工作内存

Java内存模型的主要目的是定义程序中各种变量的访问规则,即关注在虚拟机中把变量值存储到
内存和从内存中取出变量值这样的底层细节。

此处的变量(Variables)与Java编程中所说的变量有所区
别,它包括了实例字段、静态字段和构成数组对象的元素,但是不包括局部变量与方法参数,因为后者是线程私有的,不会被共享,自然就不会存在竞争问题。为了获得更好的执行效能,Java内存模
型并没有限制执行引擎使用处理器的特定寄存器或缓存来和主内存进行交互,也没有限制即时编译器
是否要进行调整代码执行顺序这类优化措施。

Java内存模型规定了所有的变量都存储在主内存(Main Memory)中(此处的主内存与介绍物理
硬件时提到的主内存名字一样,两者也可以类比,但物理上它仅是虚拟机内存的一部分)。每条线程
还有自己的工作内存(Working M emory ,可与前面讲的处理器高速缓存类比),线程的工作内存中保
存了被该线程使用的变量的主内存副本,线程对变量的所有操作(读取、赋值等)都必须在工作内存中进行,而不能直接读写主内存中的数据。不同的线程之间也无法直接访问对方工作内存中的变
量,线程间变量值的传递均需要通过主内存来完成,线程、主内存、工作内存三者的交互关系如下图

image.png

这里所讲的主内存、工作内存与第2章所讲的Java内存区域中的Java堆、栈、方法区等并不是同一个层次的对内存的划分,这两者基本上是没有任何关系的。如果两者一定要勉强对应起来,那么从变量、主内存、工作内存的定义来看,主内存主要对应于Java堆中的对象实例数据部分,而工作内存则对应于虚拟机栈中的部分区域。从更基础的层次上说,主内存直接对应于物理硬件的内存,而为了获取更好的运行速度,虚拟机可能会让工作内存优先存储
于寄存器和高速缓存中,因为程序运行时主要访问的是工作内存。

对于volatile型变量的特殊规则

关键字volat ile可以说是Java虚拟机提供的最轻量级的同步机制,但是它并不容易被正确、完整地
理解,以至于许多程序员都习惯去避免使用它,遇到需要处理多线程数据竞争问题的时候一律使用
synchronized来进行同步。了解volatile变量的语义对后面理解多线程操作的其他特性很有意义的!

Java内存模型为volat ile专门定义了一些特殊的访问规则,先用通俗易懂的语言来介绍一下这个关键字的作用。

当一个变量被定义成volatile之后,它将具备两项特性:第一项是保证此变量对所有线程的可见性,这里的“可见性”是指当一条线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程来说是可以立即得知的。
而普通变量并不能做到这一点,普通变量的值在线程间传递时均需要通过主内存来完成。比如,线程A修改一个普通变量的值,然后向主内存进行回写,另外一条线程B在线程A回写完成了之后再对主内存进行读取操作,新变量值才会对线程B可见。

关于volatile变量的可见性,经常会被开发人员误解,他们会误以为下面的描述是正确的:“ volatile变量对所有线程是立即可见的,对volatle变量所有的写操作都能立刻反映到其他线程之中。换句话说,volat ile变量在各个线程中是一致的,所以基于volatle变量的运算在并发下是线程安全的”。这句话的论据部分并没有错,但是由其论据并不能得出“ 基于volatile变量的运算在并发下是线程安全的”这样
的结论。volatile变量在各个线程的工作内存中是不存在一致性问题的(从物理存储的角度看,各个线程的工作内存中volatile变量也可以存在不一致的情况,但由于每次使用之前都要先刷新,执行引擎看不到不一致的情况,因此可以认为不存在一致性问题),但是Java里面的运算操作符并非原子操作,
这导致volat ile变量的运算在并发下一样是不安全的,我们可以通过一段简单的演示来说明原因,请看下面演示的例子。

/**
 * volatile变量自增运算测试 *
 */
public class T {
    public static volatile int race = 0;

    public static void increase() {
        race++;
    }

    private static final int THREADS_COUNT = 20;

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
        for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        increase();
                        //System.out.println(i);
                    }
                }
            });
            threads[i].start();
        }
        System.out.println(race);
    }
}

这段代码发起了20个线程,每个线程对race变量进行10000次自增操作,如果这段代码能够正确并
发的话,最后输出的结果应该是200000。读者运行完这段代码之后,并不会获得期望的结果,而且会
发现每次运行程序,输出的结果都不一样,都是一个小于200000的数字。这是为什么呢?

问题就出在自增运算“race++”之中,我们用Javap反编译这段代码后会得到代码清单下图所示,发现只有一行代码的increase()方法在Class文件中是由4条字节码指令构成(return指令不是由race++产生的,这条指令可以不计算),从字节码层面上已经很容易分析出并发失败的原因了:当getstatic指令把race的值取到操作栈顶时,volatile关键字保证了race的值在此时是正确的,但是在执行iconst _1、iadd这些指令的时候,其他线程可能已经把race的值改变了,而操作栈顶的值就变成了过期的数据,所以putstatic指令执行后就可能把较小的race值同步回主内存之中。


标题:[高效并发]之Volatile关键字整理
作者:liqitian3344
地址:https://liqitian.com/articles/2020/05/18/1589797757522.html