《弟哥带你学“并发编程/多线程”系列》 - 第十一章 JAVA内存模型-并发相关

136 阅读7分钟

对于volatile型变量的特殊规则 

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。 

注:使用volatile仍有可能导致并发不安全

由于volatile变量只能保证可见性,在不符合以下两条规则的运算场景中,我们仍然要通过加锁 (使用synchronized、java.util.concurrent中的锁或原子类)来保证原子性: 

    • 运算结果并不依赖变量的当前值,或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。 
    • 变量不需要与其他的状态变量共同参与不变约束。 

使用volatile变量的第二个语义是禁止指令重排序优化,普通的变量仅会保证在该方法的执行过程中所有依赖赋值结果的地方都能获取到正确的结果,而不能保证变量赋值操作的顺序与程序代码中的执行顺序一致。因为在同一个线程的方法执行过程中无法感知到这点,这就是Java内存模型中描述的 所谓“线程内表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics)。 

Java内存模型中对volatile变量定义的特殊规则的定义。假定T表示一个线程,V和W分别表示两个volatile型变量,那么在进行read、load、use、assign、store和write操作 时需要满足如下规则:

  • 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是load的时候,线程T才能对变量V执行use动作;并且, 只有当线程T对变量V执行的后一个动作是use的时候,线程T才能对变量V执行load动作。线程T对变量 V的use动作可以认为是和线程T对变量V的load、read动作相关联的,必须连续且一起出现。

这条规则要求在工作内存中,每次使用V前都必须先从主内存刷新最新的值,用于保证能看见其 他线程对变量V所做的修改。

  • 只有当线程T对变量V执行的前一个动作是assign的时候,线程T才能对变量V执行store动作;并 且,只有当线程T对变量V执行的后一个动作是store的时候,线程T才能对变量V执行assign动作。线程 T对变量V的assign动作可以认为是和线程T对变量V的store、write动作相关联的,必须连续且一起出现。 

这条规则要求在工作内存中,每次修改V后都必须立刻同步回主内存中,用于保证其他线程可以 看到自己对变量V所做的修改。 

  • 假定动作A是线程T对变量V实施的use或assign动作,假定动作F是和动作A相关联的load或store动 作,假定动作P是和动作F相应的对变量V的read或write动作;与此类似,假定动作B是线程T对变量W 实施的use或assign动作,假定动作G是和动作B相关联的load或store动作,假定动作Q是和动作G相应的 对变量W的read或write动作。如果A先于B,那么P先于Q。 

这条规则要求volatile修饰的变量不会被指令重排序优化,从而保证代码的执行顺序与程序的顺序 相同 

针对long和double型变量的特殊规则 

Java内存模型要求lock、unlock、read、load、assign、use、store、write这八种操作都具有原子性, 但是对于64位的数据类型(long和double),在模型中特别定义了一条宽松的规定:允许虚拟机将没有 被volatile修饰的64位数据的读写操作划分为两次32位的操作来进行,即允许虚拟机实现自行选择是否要保证64位数据类型的load、store、read和write这四个操作的原子性,这就是所谓的“long和double的非原子性协定”(Non-Atomic Treatment of double and long Variables)。 

不过 不需要因为这个原因刻意把用到的long和double变量专门声明为volatile。 基本不会出现上面的问题

原子性 可见性 有序性

原子性

由Java内存模型来直接保证的原子性变量操作包括read、load、assign、use、store和write这六个, 我们大致可以认为,基本数据类型的访问、读写都是具备原子性的(例外就是long和double的非原子性 协定,读者只要知道这件事情就可以了,无须太过在意这些几乎不会发生的例外情况)。 

如果应用场景需要一个更大范围的原子性保证(经常会遇到),Java内存模型还提供了lock和 unlock操作来满足这种需求,尽管虚拟机未把lock和unlock操作直接开放给用户使用,但是却提供了更 高层次的字节码指令monitorenter和monitorexit来隐式地使用这两个操作。这两个字节码指令反映到Java 代码中就是同步块——synchronized关键字,因此在synchronized块之间的操作也具备原子性。 

可见性

可见性就是指当一个线程修改了共享变量的值时,其他线程能够立即得知这个修改。上文在讲解 volatile变量的时候我们已详细讨论过这一点。Java内存模型是通过在变量修改后将新值同步回主内 存,在变量读取前从主内存刷新变量值这种依赖主内存作为传递媒介的方式来实现可见性的,无论是 普通变量还是volatile变量都是如此。普通变量与volatile变量的区别是,volatile的特殊规则保证了新值 能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新。因此我们可以说volatile保证了多线程操作 时变量的可见性,而普通变量则不能保证这一点。 

除了volatile之外,Java还有两个关键字能实现可见性,它们是synchronized和final。同步块的可见性是由“对一个变量执行unlock操作之前,必须先把此变量同步回主内存中(执行store、write操 作)”这条规则获得的。而final关键字的可见性是指:被final修饰的字段在构造器中一旦被初始化完 成,并且构造器没有把“this”的引用传递出去(this引用逃逸是一件很危险的事情,其他线程有可能通 过这个引用访问到“初始化了一半”的对象),那么在其他线程中就能看见final字段的值。

有序性

Java内存模型的有序性在前面讲解volatile时也比较详细地讨论过了,Java程序中天然的有序性可以 总结为一句话:如果在本线程内观察,所有的操作都是有序的;如果在一个线程中观察另一个线程, 所有的操作都是无序的。前半句是指“线程内似表现为串行的语义”(Within-Thread As-If-Serial Semantics),后半句是指“指令重排序”现象和“工作内存与主内存同步延迟”现象。 

Java语言提供了volatile和synchronized两个关键字来保证线程之间操作的有序性,volatile关键字本 身就包含了禁止指令重排序的语义,而synchronized则是由“一个变量在同一个时刻只允许一条线程对 其进行lock操作”这条规则获得的,这个规则决定了持有同一个锁的两个同步块只能串行地进入。