引言

上一篇文章講的是線程本地存儲(chǔ) ThreadLocal，講究的是讓每個(gè)線程持有一份數(shù)據(jù)副本，大家各自訪問(wèn)各自的，就不用爭(zhēng)搶了。

那怎么保證程序里一個(gè)線程對(duì)共享變量的修改能立馬被其他線程看到了？這時(shí)候有人會(huì)說(shuō)了，加鎖呀，前面不就是因?yàn)榧渔i成本太高才使用的 ThreadLocal的嗎？怎么又說(shuō)回去了？

其實(shí)CPU每個(gè)核心也都是有緩存的，今天要講的volatile能保證變量在多線程間的可見(jiàn)性，本文我們會(huì)對(duì)變量可見(jiàn)性、指令重排、Happens Before 原則以及 Volatile 對(duì)這些特性提供的支持和在程序里的使用進(jìn)行講解，本文大綱如下：

變量的可見(jiàn)性

一個(gè)線程對(duì)共享變量的修改，另外一個(gè)線程能夠立刻看到，稱為變量的可見(jiàn)性。

在單核系統(tǒng)中，所有的線程都是在一顆 CPU 上執(zhí)行，CPU 緩存與內(nèi)存的數(shù)據(jù)一致性容易解決。但是多核系統(tǒng)中，每顆 CPU 都有自己的緩存，這時(shí) CPU 緩存與內(nèi)存的數(shù)據(jù)一致性就沒(méi)那么容易解決了，當(dāng)多個(gè)線程在不同的 CPU 上執(zhí)行時(shí)，這些線程操作的是不同的 CPU 緩存。

比如下圖中，線程 A 操作的是 CPU-1 上的緩存，而線程 B 操作的是 CPU-2 上的緩存，很明顯，這個(gè)時(shí)候線程 A 對(duì)變量 V 的操作對(duì)于線程 B 而言不具備可見(jiàn)性。

Java 里可以使用 volatile 關(guān)鍵字修飾成員變量，來(lái)保證成員在線程間的可見(jiàn)性。讀取 volatile 修飾的變量時(shí)，線程將不會(huì)從所在CPU的緩存，而是直接從系統(tǒng)的主存中讀取變量值。同理，向一個(gè) volatile 修飾的變量寫(xiě)入值的時(shí)候，也是直接寫(xiě)入到主存。

下面我們?cè)賮?lái)看一下，當(dāng)不使用 volatile 時(shí)，多線程使用共享變量時(shí)的可見(jiàn)性問(wèn)題。

Java 變量的可見(jiàn)性問(wèn)題

Java 的 volatile 關(guān)鍵字能夠保證變量更改的跨線程可見(jiàn)，在一個(gè)多線程應(yīng)用程序中，為了提高性能，線程會(huì)把變量從主存拷貝到線程所在CPU信息的緩存上再操作。如果程序運(yùn)行在多核機(jī)器上，多個(gè)線程可能會(huì)運(yùn)行在不同的CPU 上，也就意味著不同的線程可能會(huì)把變量拷貝到不同的 CPU 緩存上。

因?yàn)镃PU緩存的讀寫(xiě)速度遠(yuǎn)高于主存，所以線程會(huì)把數(shù)據(jù)從主存讀到 CPU 緩存，數(shù)據(jù)的更新也是是先更新CPU 緩存中的副本，再刷回主存，除非有（匯編指令）強(qiáng)制要求否則不會(huì)每次更新都把數(shù)據(jù)刷回主存。

對(duì)于非 volatile 修飾的變量，Java 無(wú)法保證 JVM 何時(shí)會(huì)把數(shù)據(jù)從主存讀取到 CPU 緩存，或?qū)?shù)據(jù)從 CPU 緩存寫(xiě)入主內(nèi)存。

這在多線程環(huán)境下可能會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，想象一下這樣一種情況，有多個(gè)線程可以訪問(wèn)一個(gè)共享對(duì)象，該對(duì)象包含一個(gè)聲明如下的計(jì)數(shù)器變量。

public class SharedObject {
    public volatile int counter = 0;
}

假設(shè)在我們的例子中只有線程1 會(huì)更新計(jì)數(shù)器 counter 的值，線程1 和線程2 都會(huì)時(shí)不時(shí)的讀取 counter 的值。 如果 counter 未被聲明為 volatile 的，則無(wú)法保證變量 counter 的值何時(shí)會(huì)從 CPU 緩存寫(xiě)回主存。這意味著，CPU 緩存中的計(jì)數(shù)器變量值可能與主內(nèi)存中的不同。比如像下圖這樣：

線程2 訪問(wèn) counter 的值的結(jié)果是 0 ，沒(méi)有看到變量 counter 最新的值。這是因?yàn)?counter 它最新的值還在CPU1 的緩存中，還沒(méi)有被線程1 寫(xiě)回到主內(nèi)。

上面這個(gè)例子描述的情況，就是所謂“可見(jiàn)性”問(wèn)題：一個(gè)線程的更新對(duì)其他線程是不可見(jiàn)的。

Volatile 的可見(jiàn)性保證

Java 的 volatile 關(guān)鍵字旨在解決變量可見(jiàn)性問(wèn)題。通過(guò)將上面例子中的 counter 變量聲明為 volatile的，所有對(duì)counter 變量的寫(xiě)入都將立即寫(xiě)回主存，所以對(duì) counter 變量的讀取都會(huì)先將變量從主存讀到CPU緩存 （相當(dāng)于每次都從主存讀取）。

把 counter 變量聲明成 volatile 只需要在定義中加上 volatile 關(guān)鍵字即可

public class SharedObject {
    public volatile int counter = 0;
}

完整的 volatile 可見(jiàn)性保證

實(shí)際上，volatile 的可見(jiàn)性保證超出了 volatile 修飾的變量本身。它的可見(jiàn)性保證規(guī)則如下：

• 如果線程 A 寫(xiě)入一個(gè) volatile 變量，而線程 B 隨后讀取了同一個(gè) volatile 變量，那么線程 A 在寫(xiě)入 volatile 變量之前，對(duì)線程 A 可見(jiàn)（更新可見(jiàn)）的所有變量，在線程 B 讀取 volatile 變量之后也將對(duì)線程 B 可見(jiàn)。
• 如果線程 A 讀取一個(gè) volatile 變量，那么在讀取 volatile 變量時(shí)，線程 A 可見(jiàn)的所有變量也將從主存中重新讀取。

我們通過(guò)例程解釋一下這兩個(gè)規(guī)則。

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;
    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

udpate() 方法寫(xiě)入三個(gè)變量，其中只有變量 days 是 volatile 的。 完整的 volatile 可見(jiàn)性保證意味著，當(dāng)一個(gè)新值被寫(xiě)入到變量 days 時(shí)，該線程可見(jiàn)的所有變量也會(huì)被寫(xiě)入主內(nèi)。這意味著，當(dāng)一個(gè)新值被寫(xiě)入變量 days 時(shí)，years 和 months 的值也會(huì)被寫(xiě)入主存。

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;
    public int totalDays() {
        int total = this.days;
        total += months * 30;
        total += years * 365;
        return total;
    }
    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

而對(duì)于 volatile 變量的讀取來(lái)說(shuō)，在上面例程的 totalDays 方法中，當(dāng)讀取 days 變量的值的時(shí)候，除了會(huì)從主存中重新讀取變量 days 的值外，其他兩個(gè)未被 volatile 修飾的變量 years 和 months 也會(huì)被從主存中重新讀取到CPU緩存。通過(guò)上述讀取順序，可以確保看到 days、months 和 years 的最新值。

指令重排

在指定的語(yǔ)義保持不變的情況下，出于性能原因，JVM 和 CPU 可能會(huì)對(duì)程序中的指令進(jìn)行重新排序。比如說(shuō)，下面這幾個(gè)指令：

int a = 1;
int b = 2;
a++;
b++;

這些指令可以重新排序?yàn)橐韵滦蛄?/p>

int a = 1;
a++;
int b = 2;
b++;

然而，對(duì)于存在被聲明為 volatile 的變量的程序而言，我們傳統(tǒng)理解的指令重排會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問(wèn)題，還以上面使用過(guò)的例程來(lái)描述一下這個(gè)問(wèn)題。

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;
    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

一旦當(dāng) update() 方法將新值寫(xiě)入 days 變量時(shí)，新寫(xiě)入的 years 和 months 的值也將被寫(xiě)入主存。但是，如果 JVM 重排指令，把程序變成下面這樣會(huì)怎樣呢？

public void update(int years, int months, int days){
    this.days   = days;
    this.months = months;
    this.years  = years;
}

重排后變成了先對(duì) days 進(jìn)行賦值，根于完整可見(jiàn)性的第一條規(guī)則，當(dāng)寫(xiě)入 days 變量時(shí)，months 和 years 變量的值也會(huì)被寫(xiě)入主存。但是指令重排后，變量 days 的賦值這一次是在新值寫(xiě)入 months 和 years 之前發(fā)生的。因此，它們的新值不會(huì)正確地對(duì)其他線程可見(jiàn)。

顯然，重新排序的指令的語(yǔ)義已經(jīng)改變，不過(guò) Java 內(nèi)部會(huì)有解決方案防止此類問(wèn)題的發(fā)生。

volatile 的 Happens Before 保證

為了解決上面例子里指令重排導(dǎo)致的問(wèn)題，除了可見(jiàn)性保證之外，Java 的 volatile 關(guān)鍵字還提供了“happens-before”保證。

• 如果原來(lái)位于寫(xiě) volatile 變量之前的非 volatile 變量的讀寫(xiě)，在指令重排時(shí)，不允許這些指令出現(xiàn)在 volatile 變量的寫(xiě)入指令之后。但是原來(lái)在 volatile 變量寫(xiě)入之后的對(duì)其他變量的讀寫(xiě)指令，在重排時(shí)，是允許出現(xiàn)在寫(xiě) volatile 變量之前的--即從后變前允許，從前變后不行。
• 如果原來(lái)位于讀 volatile 變量之后的對(duì)非 volatile 變量的讀寫(xiě)，在指令重排時(shí)，不允許出現(xiàn)在讀 volatile 變量之前。

上面的 Happens-Before 保證確保了 volatile 在程序發(fā)生指令重排時(shí)也能提供正確的可見(jiàn)性保證。

volatile 不能保證原子性

雖然 volatile 關(guān)鍵字保證了對(duì) volatile 修飾的變量的所有讀取都直接從主存中讀取，對(duì) volatile 變量的所有寫(xiě)入都會(huì)寫(xiě)入到主存中，但 volatile 不能保證原子性。

在前面共享計(jì)數(shù)器的例子中，我們?cè)O(shè)置了一個(gè)前提--只有線程1 會(huì)更新計(jì)數(shù)器 counter 的值，線程1 和線程2 會(huì)時(shí)不時(shí)的讀取 counter 的值。在這個(gè)前提下，把 counter 變量聲明成 volatile 的足以確保線程 2 始終能看到線程1最新寫(xiě)入的值。

事實(shí)上，當(dāng)寫(xiě)入變量的新值不依賴先前的值（比如累加）的時(shí)候，多個(gè)線程都向同一個(gè) volatile 變量寫(xiě)入時(shí)，是能保證向主存中寫(xiě)入的是正確的值的。但是，如果需要首先讀取 volatile 變量的值，并基于該值為 volatile 變量生成一個(gè)新值，那么 volatile 就不能保證變量正確的可見(jiàn)性了。讀取 volatile 變量和寫(xiě)入新值之間的這個(gè)短短的時(shí)間間隔，在多線程并發(fā)寫(xiě)入的情況下也是會(huì)產(chǎn)生 Data Racing 的。

想象一下，如果線程 1 將值為 0 的 counter 變量讀取到運(yùn)行它的 CPU 的緩存中，將其遞增到 1，在線程1把 counter 的值寫(xiě)回主存之前，線程 2 可能正好也從主內(nèi)存中把 counter 變量讀到了運(yùn)行它的 CPU 緩存中，讀取到的 counter 變量的值也是 0，然后線程 2 也對(duì) counter 變量進(jìn)行遞增的操作。

線程 1 和線程 2 現(xiàn)在實(shí)際上已經(jīng)不同步了。理論上 counter 變量從 0 經(jīng)過(guò)兩次遞增應(yīng)該變成 2，但實(shí)際上每個(gè)線程在其 CPU 緩存中的 counter 變量的值為 1，即使線程最終將 counter 變量的值寫(xiě)回主存，它的值也是不對(duì)的。

那么，如何做到線程安全呢？有兩種方案：

• volatile + synchronized
• 使用原子類替代 volatile

原子類后面到 J.U.C 相關(guān)的章節(jié)的時(shí)候再去學(xué)習(xí)。

什么時(shí)候適合使用 volatile

如果 volatile 修飾符使用恰當(dāng)?shù)脑挘?synchronized 的使用和執(zhí)行成本更低，因?yàn)樗粫?huì)引起線程上下文的切換和調(diào)度。但是要注意 volatile 是無(wú)法替代 synchronized ，因?yàn)?volatile 無(wú)法保證操作的原子性。

通常來(lái)說(shuō)，使用 volatile 必須具備以下 2 個(gè)條件：

• 對(duì)變量的寫(xiě)操作不依賴于當(dāng)前值
• volatile 變量沒(méi)有包含在具有其他變量的表達(dá)式中

示例：雙重鎖實(shí)現(xiàn)線程安全的單例模式

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

volatile 的原理

使用 volatile 關(guān)鍵字時(shí)，程序?qū)?yīng)的匯編代碼在對(duì)應(yīng)位置會(huì)多出一個(gè) lock 前綴指令。lock 前綴指令實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)存屏障（也稱內(nèi)存柵欄），內(nèi)存屏障會(huì)提供 3 個(gè)功能：

• 它確保指令重排序時(shí)不會(huì)把其后面的指令排到內(nèi)存屏障之前的位置，也不會(huì)把前面的指令排到內(nèi)存屏障的后面；即在執(zhí)行到內(nèi)存屏障這句指令時(shí)，在它前面的操作已經(jīng)全部完成；
• 它會(huì)強(qiáng)制將對(duì)緩存的修改操作立即寫(xiě)入主存；
• 如果是寫(xiě)操作，它會(huì)導(dǎo)致其他 CPU 中對(duì)應(yīng)的緩存行無(wú)效。

注意 volatile 的性能問(wèn)題

讀取和寫(xiě)入 volatile 變量都會(huì)直接訪問(wèn)主存，讀寫(xiě)主存比訪問(wèn) CPU 緩存更慢得多，不過(guò)使用 volatile 變量還可以防止指令重排，這是一種正常的性能增強(qiáng)技術(shù)。因此，我們只應(yīng)該在確實(shí)需要變量的可見(jiàn)性和防止指令重排時(shí)，再使用 volatile 變量。

以上就是Java并發(fā)編程變量可見(jiàn)性避免指令重排使用詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Java并發(fā)變量可見(jiàn)性避免指令重排的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！