Java并發編程:從根源上解析volatile關鍵字的實現
Java并發編程：volatile關鍵字解析
1、解析概覽
- 內存模型的相關概念
- 并發編程中的三個概念
- Java內存模型
- 深入剖析volatile關鍵字
- 使用volatile關鍵字的場景
2、內存模型的相關概念
緩存一致性問題。通常稱這種被多個線程訪問的變量為共享變量。
也就是說，如果一個變量在多個CPU中都存在緩存(一般在多線程編程時才會出現)，那么就可能存在緩存不一致的問題。
為了解決緩存不一致性問題，通常來說有以下2種解決方法：
- 通過在總線加LOCK#鎖的方式
- 通過緩存一致性協議
這2種方式都是硬件層面上提供的方式。
上面的方式1會有一個問題，由于在鎖住總線期間，其他CPU無法訪問內存，導致效率低下。
緩存一致性協議。最出名的就是Intel 的MESI協議，MESI協議保證了每個緩存中使用的共享變量的副本是一致的。它核心的思想是：當CPU寫數據時，如果發現操作的變量是共享變量，即在其他CPU中也存在該變量的副本，會發出信號通知其他CPU將該變量的緩存行置為無效狀態，因此當其他CPU需要讀取這個變量時，發現自己緩存中緩存該變量的緩存行是無效的，那么它就會從內存重新讀取。
3、并發編程中的三個概念
在并發編程中，我們通常會遇到以下三個問題：原子性問題，可見性問題，有序性問題。
3.1 原子性
原子性：即一個操作或者多個操作 要么全部執行并且執行的過程不會被任何因素打斷，要么就都不執行。
3.2 可見性
可見性是指當多個線程訪問同一個變量時，一個線程修改了這個變量的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。
3.3 有序性
有序性：即程序執行的順序按照代碼的先后順序執行。
從代碼順序上看，語句1是在語句2前面的，那么JVM在真正執行這段代碼的時候會保證語句1一定會在語句2前面執行嗎?不一定，為什么呢?這里可能會發生指令重排序(Instruction Reorder)。
下面解釋一下什么是指令重排序，一般來說，處理器為了提高程序運行效率，可能會對輸入代碼進行優化，它不保證程序中各個語句的執行先后順序同代碼中的順序一致，但是它會保證程序最終執行結果和代碼順序執行的結果是一致的。
指令重排序不會影響單個線程的執行，但是會影響到線程并發執行的正確性。
- 也就是說，要想并發程序正確地執行，必須要保證原子性、可見性以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導致程序運行不正確。
4、Java內存模型
在Java虛擬機規范中試圖定義一種Java內存模型(Java Memory Model，JMM)來屏蔽各個硬件平臺和操作系統的內存訪問差異，以實現讓Java程序在各種平臺下都能達到一致的內存訪問效果。那么Java內存模型規定了哪些東西呢，它定義了程序中變量的訪問規則，往大一點說是定義了程序執行的次序。注意，為了獲得較好的執行性能，Java內存模型并沒有限制執行引擎使用處理器的寄存器或者高速緩存來提升指令執行速度，也沒有限制編譯器對指令進行重排序。也就是說，在java內存模型中，也會存在緩存一致性問題和指令重排序的問題。
Java內存模型規定所有的變量都是存在主存當中(類似于前面說的物理內存)，每個線程都有自己的工作內存(類似于前面的高速緩存)。線程對變量的所有操作都必須在工作內存中進行，而不能直接對主存進行操作。并且每個線程不能訪問其他線程的工作內存。
4.1 原子性
在Java中，對基本數據類型的變量的讀取和賦值操作是原子性操作，即這些操作是不可被中斷的，要么執行，要么不執行。
請分析以下哪些操作是原子性操作：
- x = 10; //語句1
- y = x; //語句2
- x++; //語句3
- x = x + 1; //語句4
其實只有語句1是原子性操作，其他三個語句都不是原子性操作。
也就是說，只有簡單的讀取、賦值(而且必須是將數字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作)才是原子操作。
從上面可以看出，Java內存模型只保證了基本讀取和賦值是原子性操作，如果要實現更大范圍操作的原子性，可以通過synchronized和Lock來實現。
4.2 可見性
對于可見性，Java提供了volatile關鍵字來保證可見性。
當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他線程需要讀取時，它會去內存中讀取新值。
而普通的共享變量不能保證可見性，因為普通共享變量被修改之后，什么時候被寫入主存是不確定的，當其他線程去讀取時，此時內存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。
另外，通過synchronized和Lock也能夠保證可見性，synchronized和Lock能保證同一時刻只有一個線程獲取鎖然后執行同步代碼，并且在釋放鎖之前會將對變量的修改刷新到主存當中。因此可以保證可見性。
4.3 有序性
在Java內存模型中，允許編譯器和處理器對指令進行重排序，但是重排序過程不會影響到單線程程序的執行，卻會影響到多線程并發執行的正確性。
在Java里面，可以通過volatile關鍵字來保證一定的“有序性”(它能禁止進行指令重排序)。另外可以通過synchronized和Lock來保證有序性，很顯然，synchronized和Lock保證每個時刻是有一個線程執行同步代碼，相當于是讓線程順序執行同步代碼，自然就保證了有序性。
另外，Java內存模型具備一些先天的“有序性”，即不需要通過任何手段就能夠得到保證的有序性，這個通常也稱為 happens-before 原則。如果兩個操作的執行次序無法從happens-before原則推導出來，那么它們就不能保證它們的有序性，虛擬機可以隨意地對它們進行重排序。
下面就來具體介紹下happens-before原則(先行發生原則)：
- 程序次序規則：一個線程內，按照代碼順序，書寫在前面的操作先行發生于書寫在后面的操作
- 鎖定規則：一個unLock操作先行發生于后面對同一個鎖額lock操作
- volatile變量規則：對一個變量的寫操作先行發生于后面對這個變量的讀操作
- 傳遞規則：如果操作A先行發生于操作B，而操作B又先行發生于操作C，則可以得出操作A先行發生于操作C
- 線程啟動規則：Thread對象的start()方法先行發生于此線程的每個一個動作
- 線程中斷規則：對線程interrupt()方法的調用先行發生于被中斷線程的代碼檢測到中斷事件的發生
- 線程終結規則：線程中所有的操作都先行發生于線程的終止檢測，我們可以通過Thread.join()方法結束、Thread.isAlive()的返回值手段檢測到線程已經終止執行
- 對象終結規則：一個對象的初始化完成先行發生于他的finalize()方法的開始
這8條規則中，前4條規則是比較重要的，后4條規則都是顯而易見的。
下面我們來解釋一下前4條規則：
- 對于程序次序規則來說，我的理解就是一段程序代碼的執行在單個線程中看起來是有序的。注意，雖然這條規則中提到“書寫在前面的操作先行發生于書寫在后面的操作”，這個應該是程序看起來執行的順序是按照代碼順序執行的，因為虛擬機可能會對程序代碼進行指令重排序。雖然進行重排序，但是最終執行的結果是與程序順序執行的結果一致的，它只會對不存在數據依賴性的指令進行重排序。因此，在單個線程中，程序執行看起來是有序執行的，這一點要注意理解。事實上，這個規則是用來保證程序在單線程中執行結果的正確性，但無法保證程序在多線程中執行的正確性。
- 第二條規則也比較容易理解，也就是說無論在單線程中還是多線程中，同一個鎖如果出于被鎖定的狀態，那么必須先對鎖進行了釋放操作，后面才能繼續進行lock操作。
- 第三條規則是一條比較重要的規則，也是后文將要重點講述的內容。直觀地解釋就是，如果一個線程先去寫一個變量，然后一個線程去進行讀取，那么寫入操作肯定會先行發生于讀操作。
- 第四條規則實際上就是體現happens-before原則具備傳遞性。
5、深入剖析volatile關鍵字
5.1 Volatile關鍵字的兩層語義
一旦一個共享變量(類的成員變量、類的靜態成員變量)被volatile修飾之后，那么就具備了兩層語義：
- 保證了不同線程對這個變量進行操作時的可見性，即一個線程修改了某個變量的值，這新值對其他線程來說是立即可見的。
- 禁止進行指令重排序。
關于可見性，先看一段代碼，假如線程1先執行，線程2后執行：
- //線程1
- boolean stop = false;
- while(!stop){
- doSomething();
- }
- //線程2
- stop = true;
這段代碼是很典型的一段代碼，很多人在中斷線程時可能都會采用這種標記辦法。但是事實上，這段代碼會完全運行正確么?即一定會將線程中斷么?不一定，也許在大多數時候，這個代碼能夠把線程中斷，但是也有可能會導致無法中斷線程(雖然這個可能性很小，但是只要一旦發生這種情況就會造成死循環了)。
下面解釋一下這段代碼為何有可能導致無法中斷線程。在前面已經解釋過，每個線程在運行過程中都有自己的工作內存，那么線程1在運行的時候，會將stop變量的值拷貝一份放在自己的工作內存當中。
那么當線程2更改了stop變量的值之后，但是還沒來得及寫入主存當中，線程2轉去做其他事情了，那么線程1由于不知道線程2對stop變量的更改，因此還會一直循環下去。
但是用volatile修飾之后就變得不一樣了：
- ***：使用volatile關鍵字會強制將修改的值立即寫入主存;
- 第二：使用volatile關鍵字的話，當線程2進行修改時，會導致線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效(反映到硬件層的話，就是CPU的L1或者L2緩存中對應的緩存行無效);
- 第三：由于線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，所以線程1再次讀取變量stop的值時會去主存讀取。
那么在線程2修改stop值時(當然這里包括2個操作，修改線程2工作內存中的值，然后將修改后的值寫入內存)，會使得線程1的工作內存中緩存變量stop的緩存行無效，然后線程1讀取時，發現自己的緩存行無效，它會等待緩存行對應的主存地址被更新之后，然后去對應的主存讀取***的值。
那么線程1讀取到的就是***的正確的值。
5.2 volatile保證原子性嗎?
volatile不保證原子性，下面看一個實例。
- public class Test {
- public volatile int inc = 0;
- public void increase() {
- inc++;
- }
- public static void main(String[] args) {
- final Test test = new Test();
- for(int i=0;i<10;i++){
- new Thread(){
- public void run() {
- for(int j=0;j<1000;j++)
- test.increase();
- };
- }.start();
- }
- while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執行完
- Thread.yield();
- System.out.println(test.inc);
- }
- }
大家想一下這段程序的輸出結果是多少?也許有些朋友認為是10000。但是事實上運行它會發現每次運行結果都不一致，都是一個小于10000的數字。
這里面就有一個誤區了，volatile關鍵字能保證可見性沒有錯，但是上面的程序錯在沒能保證原子性。可見性只能保證每次讀取的是***的值，但是volatile沒辦法保證對變量的操作的原子性。
在前面已經提到過，自增操作是不具備原子性的，它包括讀取變量的原始值、進行加1操作、寫入工作內存。那么就是說自增操作的三個子操作可能會分割開執行，就有可能導致下面這種情況出現：
假如某個時刻變量inc的值為10。
線程1對變量進行自增操作，線程1先讀取了變量inc的原始值，然后線程1被阻塞了;
然后線程2對變量進行自增操作，線程2也去讀取變量inc的原始值，由于線程1只是對變量inc進行讀取操作，而沒有對變量進行修改操作，所以不會導致線程2的工作內存中緩存變量inc的緩存行無效，所以線程2會直接去主存讀取inc的值，發現inc的值時10，然后進行加1操作，并把11寫入工作內存，***寫入主存。
然后線程1接著進行加1操作，由于已經讀取了inc的值，注意此時在線程1的工作內存中inc的值仍然為10，所以線程1對inc進行加1操作后inc的值為11，然后將11寫入工作內存，***寫入主存。
那么兩個線程分別進行了一次自增操作后，inc只增加了1。
解釋到這里，可能有朋友會有疑問，不對啊，前面不是保證一個變量在修改volatile變量時，會讓緩存行無效嗎?然后其他線程去讀就會讀到新的值，對，這個沒錯。這個就是上面的happens-before規則中的volatile變量規則，但是要注意，線程1對變量進行讀取操作之后，被阻塞了的話，并沒有對inc值進行修改。然后雖然volatile能保證線程2對變量inc的值讀取是從內存中讀取的，但是線程1沒有進行修改，所以線程2根本就不會看到修改的值。
根源就在這里，自增操作不是原子性操作，而且volatile也無法保證對變量的任何操作都是原子性的。
把上面的代碼改成以下任何一種都可以達到效果：
采用synchronized：
- public class Test {
- public int inc = 0;
- public synchronized void increase() {
- inc++;
- }
- public static void main(String[] args) {
- final Test test = new Test();
- for(int i=0;i<10;i++){
- new Thread(){
- public void run() {
- for(int j=0;j<1000;j++)
- test.increase();
- };
- }.start();
- }
- while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執行完
- Thread.yield();
- System.out.println(test.inc);
- }
- }
采用Lock：
- public class Test {
- public int inc = 0;
- Lock lock = new ReentrantLock();
- public void increase() {
- lock.lock();
- try {
- inc++;
- } finally{
- lock.unlock();
- }
- }
- public static void main(String[] args) {
- final Test test = new Test();
- for(int i=0;i<10;i++){
- new Thread(){
- public void run() {
- for(int j=0;j<1000;j++)
- test.increase();
- };
- }.start();
- }
- while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執行完
- Thread.yield();
- System.out.println(test.inc);
- }
- }
采用AtomicInteger：
- public class Test {
- public AtomicInteger inc = new AtomicInteger();
- public void increase() {
- inc.getAndIncrement();
- }
- public static void main(String[] args) {
- final Test test = new Test();
- for(int i=0;i<10;i++){
- new Thread(){
- public void run() {
- for(int j=0;j<1000;j++)
- test.increase();
- };
- }.start();
- }
- while(Thread.activeCount()>1) //保證前面的線程都執行完
- Thread.yield();
- System.out.println(test.inc);
- }
- }
在java 1.5的java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子操作類，即對基本數據類型的 自增(加1操作)，自減(減1操作)、以及加法操作(加一個數)，減法操作(減一個數)進行了封裝，保證這些操作是原子性操作。atomic是利用CAS來實現原子性操作的(Compare And Swap)，CAS實際上是利用處理器提供的CMPXCHG指令實現的，而處理器執行CMPXCHG指令是一個原子性操作。
5.3 volatile能保證有序性嗎?
volatile能在一定程度上保證有序性。
volatile關鍵字禁止指令重排序有兩層意思：
1)當程序執行到volatile變量的讀操作或者寫操作時，在其前面的操作的更改肯定全部已經進行，且結果已經對后面的操作可見;在其后面的操作肯定還沒有進行;
2)在進行指令優化時，不能將在對volatile變量訪問的語句放在其后面執行，也不能把volatile變量后面的語句放到其前面執行。
舉個例子：
- //x、y為非volatile變量
- //flag為volatile變量
- x = 2; //語句1
- y = 0; //語句2
- flag = true; //語句3
- x = 4; //語句4
- y = -1; //語句5
由于flag變量為volatile變量，那么在進行指令重排序的過程的時候，不會將語句3放到語句1、語句2前面，也不會講語句3放到語句4、語句5后面。但是要注意語句1和語句2的順序、語句4和語句5的順序是不作任何保證的。
并且volatile關鍵字能保證，執行到語句3時，語句1和語句2必定是執行完畢了的，且語句1和語句2的執行結果對語句3、語句4、語句5是可見的。
5.4 volatile的原理和實現機制
這里探討一下volatile到底如何保證可見性和禁止指令重排序的。
下面這段話摘自《深入理解Java虛擬機》：
“觀察加入volatile關鍵字和沒有加入volatile關鍵字時所生成的匯編代碼發現，加入volatile關鍵字時，會多出一個lock前綴指令”
lock前綴指令實際上相當于一個內存屏障(也成內存柵欄)，內存屏障會提供3個功能：
- 它確保指令重排序時不會把其后面的指令排到內存屏障之前的位置，也不會把前面的指令排到內存屏障的后面;即在執行到內存屏障這句指令時，在它前面的操作已經全部完成;
- 它會強制將對緩存的修改操作立即寫入主存;
- 如果是寫操作，它會導致其他CPU中對應的緩存行無效。
6、使用volatile關鍵字的場景
synchronized關鍵字是防止多個線程同時執行一段代碼，那么就會很影響程序執行效率，而volatile關鍵字在某些情況下性能要優于synchronized，但是要注意volatile關鍵字是無法替代synchronized關鍵字的，因為volatile關鍵字無法保證操作的原子性。通常來說，使用volatile必須具備以下2個條件：
- 對變量的寫操作不依賴于當前值(比如++操作，上面有例子)
- 該變量沒有包含在具有其他變量的不變式中
實際上，這些條件表明，可以被寫入 volatile 變量的這些有效值獨立于任何程序的狀態，包括變量的當前狀態。
事實上，我的理解就是上面的2個條件需要保證操作是原子性操作，才能保證使用volatile關鍵字的程序在并發時能夠正確執行。
下面列舉幾個Java中使用volatile的幾個場景。
狀態標記量
- volatile boolean flag = false;
- while(!flag){
- doSomething();
- }
- public void setFlag() {
- flag = true;
- }
- volatile boolean inited = false;
- //線程1:
- context = loadContext();
- inited = true;
- //線程2:
- while(!inited ){
- sleep()
- }
- doSomethingwithconfig(context);
double check
- 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;
- }
- }
至于為何需要這么寫請參考：
《Java 中的雙重檢查(Double-Check)》
http://blog.csdn.net/dl88250/article/details/5439024 和 http://www.iteye.com/topic/652440
