多线程之volatile 关键字

蝎子莱莱爱打怪
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volatile 在面试时候会经常问到，关于其实现原理 需要计算机底层的一些知识。

  • 首先看下java线程模型 JMM 引用周志明老师的《深入理解虚拟机第二版》java必看的书籍!

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volatile 有什么作用？

    1. 被他修饰的变量，在多个线程之间可见。
    1. 防止指令重排序 (双检索单例时候会出现该问题)

volatile 为什么能保证可见性？

image.png

CPU为了提高处理性能，并不直接和内存进行通信，而是将内存的数据读取到内部缓存（L1，L2）再进行操作，但操作完并不能确定何时写回到内存，如果对volatile变量进行写操作，当CPU执行到Lock前缀指令(汇编，底层会调用 到 cpu的 lock add1 $ 0x0 , (%esp) 这个指令 ) 时，会将这个变量所在缓存行的数据写回到内存，不过还是存在一个问题，就算内存的数据是最新的，其它CPU缓存的还是旧值，所以为了保证各个CPU的缓存一致性，每个CPU通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的数据有效性，当发现自己缓存行对应的内存地址的数据被修改，就会将该缓存行设置成无效状态，当CPU读取该变量时，发现所在的缓存行被设置为无效，就会重新从内存中读取数据到缓存中。

所以保证可见性的答案是内存屏障 对应的指令是 lock add1 $ 0x0 , (%esp)

volatile 为什么能防止指令重排？

答案是也: 内存屏障 对应的指令同样是 lock add1 $ 0x0 , (%esp)

内存屏障解释: （Memory Barrier，或有时叫做内存栅栏，Memory Fence）是一种CPU指令，用于控制特定条件下的重排序和内存可见性问题。Java编译器也会根据内存屏障的规则禁止重排序。

内存屏障可以被分为以下几种类型：

  • LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
  • StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。
  • LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕。
  • StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能。

总结: 说白了 内存屏障有这两个作用

  • （1）阻止屏障两侧的指令重排序；(例子 双检索单例)
  • （2）强制把工作内存中的脏数据等写回主内存，让其他工作内存中的数据失效(通过嗅探在总线上传播的数据来检查自己缓存的数据有效性), 从而保证每次读取变量值的时候都是从主内存中读取到的。

ps: 关于volatile的作用以及原理 我真的是看过n篇文章，也翻阅过很多资料，说实话有些东西比较容易忘，所以这里做个记录

show you me code (让我们感受一下重排序的 "魅力" 哈哈)

public class PossibleReordering {

   static int x = 0, y = 0;
   static int a = 0, b = 0;

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      int i = 0;
      while (true) {
         x = 0;
         y = 0;
         a = 0;
         b = 0;

         i++;
         Thread one = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
               a = 1;
               x = b;
            }
         });
         Thread other = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
               b = 1;
               y = a;
            }
         });
         one.start();
         other.start();
         Thread.sleep(1);//TODO 这里我使用sleep(1)，不对线程进行join,让one和other乱序执行
         //TODO 美团的博客说这里需要one.join()和other.join();我个人在这里持疑问态度
         //TODO 假设one.join();那么肯定是先执行完one里边的run方法在执行other方法。既然one都执行完了，那么a肯定赋值了，也就是说你怎么
         //TODO 重排序，a都是有值的，在执行到other时候，y 肯定 = 1; 也就是说y=1;
         //TODO 我个人认为出现y=0的情况 是因为可见性导致的。也就是说a=1这个操作，在other线程读取变量a时候 a还没有刷新到主内存。所以导致y=0;
         //TODO 不知道我理解的对不对，有时间找个大佬请教下。我在跑程序时候 使用的sleep(1)的方式 就是让这俩程序乱序执行(才可能出现因为重排序引发的y=0现象)

         //TODO 第一步: x = b; (假设one抢到cpu时间片) (并且发生重排序 和 a = 1; 换位置了)
         //TODO 第二步: b = 1; (假设other抢到cpu时间片)
         //TODO 第三步: y = a; (假设other抢到cpu时间片) 注意此时a还没有赋值
         //TODO 第四步: a = 1; (假设one抢到cpu时间片) (并且发生重排序 和 x = b; 换位置了)
//       one.join();
//       other.join();

         String result = "第" + i + "次执行(x=" + x + " y=" + y + ")";
         if (x == 0 && y == 0) {
            System.out.println("第" + i + "次 出现了  : " + "(" + x + "" + "," + y + ")");
            break;
         } else {
            System.out.println(result);
         }
      }
   }

}

看完上边代码我们就知道，输出结果应该是 （x=0,y=1） 或者 (x=1,y=0) 或者(x =1,y =1),就看谁抢到cpu时间片了 但是理论上将一定不会出现 （x=0,y=0）的现象 。

but 看下图。还真就出现了

  • 目前我猜测和重排序有关，欢迎讨论
  • 另外我有一个疑问 (见下图中描述) ，欢迎大佬们赐教。

image.png

另外关于双检索单例时候为什么要加 volatile?不加volatile会出现什么问题？？？ 欢迎大佬们给出留言。

参考:
《深入理解虚拟机第2版》
美团技术团队,不错的帖子，可惜就是没评论区
占小狼的博客

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