volatile关键字及其作用

volatile关键字及其作用概述:本文主要介绍Java语言中的volatile关键字,内容涵盖volatile的保证内存可见性、禁止指令重排等。

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概述:本文主要介绍Java语言中的volatile关键字,内容涵盖volatile的保证内存可见性、禁止指令重排等。

1 保证内存可见性

1.1 基本概念

  可见性是指线程之间的可见性,一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果,另一个线程马上就能看到。

1.2 实现原理

  当对非volatile变量进行读写的时候,每个线程先从主内存拷贝变量到CPU缓存中,如果计算机有多个CPU,每个线程可能在不同的CPU上被处理,这意味着每个线程可以拷贝到不同的CPU cache中。
  volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方,保证了每次读写变量都从主内存中读,跳过CPU cache这一步。当一个线程修改了这个变量的值,新值对于其他线程是立即得知的。


这里写图片描述

2 禁止指令重排

2.1 基本概念

  指令重排序是JVM为了优化指令、提高程序运行效率,在不影响单线程程序执行结果的前提下,尽可能地提高并行度。指令重排序包括编译器重排序和运行时重排序。
  在JDK1.5之后,可以使用volatile变量禁止指令重排序。针对volatile修饰的变量,在读写操作指令前后会插入内存屏障,指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏

示例说明:
double r = 2.1; //(1) 
double pi = 3.14;//(2) 
double area = pi*r*r;//(3)

  虽然代码语句的定义顺序为1->2->3,但是计算顺序1->2->3与2->1->3对结果并无影响,所以编译时和运行时可以根据需要对1、2语句进行重排序。

2.2 指令重排带来的问题

如果一个操作不是原子的,就会给JVM留下重排的机会。

线程A中
{
    context = loadContext();
    inited = true;
}

线程B中
{
    if (inited) 
        fun(context);
}

  如果线程A中的指令发生了重排序,那么B中很可能就会拿到一个尚未初始化或尚未初始化完成的context,从而引发程序错误。

2.3 禁止指令重排的原理

  volatile关键字提供内存屏障的方式来防止指令被重排,编译器在生成字节码文件时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

  JVM内存屏障插入策略:

  1. 每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障;
  2. 在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障;
  3. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障;
  4. 在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

2.4 指令重排在双重锁定单例模式中的影响

基于双重检验的单例模式(懒汉型)

public class Singleton3 {
    private static Singleton3 instance = null;

    private Singleton3() {}

    public static Singleton3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton3.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton3();// 非原子操作
            }
        }

        return instance;
    }
}

instance= new Singleton()并不是一个原子操作,其实际上可以抽象为下面几条JVM指令:

memory =allocate();    //1:分配对象的内存空间 
ctorInstance(memory);  //2:初始化对象 
instance =memory;     //3:设置instance指向刚分配的内存地址

上面操作2依赖于操作1,但是操作3并不依赖于操作2。所以JVM是可以针对它们进行指令的优化重排序的,经过重排序后如下:

memory =allocate();    //1:分配对象的内存空间 
instance =memory;     //3:instance指向刚分配的内存地址,此时对象还未初始化
ctorInstance(memory);  //2:初始化对象

  指令重排之后,instance指向分配好的内存放在了前面,而这段内存的初始化被排在了后面。在线程A执行这段赋值语句,在初始化分配对象之前就已经将其赋值给instance引用,恰好另一个线程进入方法判断instance引用不为null,然后就将其返回使用,导致出错。

解决办法
  用volatile关键字修饰instance变量,使得instance在读、写操作前后都会插入内存屏障,避免重排序。

public class Singleton3 {
    private static volatile Singleton3 instance = null;

    private Singleton3() {}

    public static Singleton3 getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized(Singleton3.class) {
                if (instance == null)
                    instance = new Singleton3();
            }
        }
        return instance;
    }
}

3 适用场景

(1)volatile是轻量级同步机制。在访问volatile变量时不会执行加锁操作,因此也就不会使执行线程阻塞,是一种比synchronized关键字更轻量级的同步机制。
(2)volatile**无法同时保证内存可见性和原子性。加锁机制既可以确保可见性又可以确保原子性,而volatile变量只能确保可见性**。
(3)volatile不能修饰写入操作依赖当前值的变量。声明为volatile的简单变量如果当前值与该变量以前的值相关,那么volatile关键字不起作用,也就是说如下的表达式都不是原子操作:“count++”、“count = count+1”。
(4)当要访问的变量已在synchronized代码块中,或者为常量时,没必要使用volatile;
(5)volatile屏蔽掉了JVM中必要的代码优化,所以在效率上比较低,因此一定在必要时才使用此关键字。

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