java并发编程 volatile关键字 精准理解

2019-01-08 08:22:47来源:博客园 阅读 ()

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1、volatile的作用

  一个线程共享变量(类的成员变量、类的静态成员变量等)被volatile修饰之后,就具有以下作用:

  1)并发中的变量可见性(不同线程对该变量进行操作时的可见性),即一个线程修改了某个变量的值,则该新值对其他线程立即可见(可立即访问新值/立即强制写入主存);

  2)禁止指令重排(包括java编译器和CPU运行时指令重排序);

      3)禁用缓存(java虚拟机规范)---子线程的工作内存(包括了CPU缓存)。

 

2、相关概念

    2.1)指令重排序:

    (1)java编译器运行时指令重排序(实质是JVM的优化处理),java源码编译生成class文件后,JVM需要在运行时(runtime)将字节码文件(class文件)转化为操作系统能够执行的指令(JIT编译器),在转换的过程中jvm会对指令进行优化调整,以提高运行效率。

    (2)CPU运行时指令重排序,cpu优化的方式,为避免处理器访问主内存的时间开销,处理器采用缓存机制(三层缓存)提高性能(缓存之间的数据一致性遵循协议规范),当CPU写缓存时,发现缓存区块正被其他CPU占用,为了提高CPU的处理性能,可能将后面的读缓存命令优先执行。

  2.2)java内存模型规范:

       线程要操作共享变量时,需要从主内存读取到工作内存,改变值后需要从工作内存同步到主内存中。多线程的情况下,同步到主内存时遵循同步协议规范。

 

3、相关现象分析

  3.1)先看一段代码,

public class VolatileInfo {
	
	private static boolean flag = true;
	
	public static void main(String[] args) {
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				long start = System.currentTimeMillis();
				long end = 0;
				int index = 0;
				while (VolatileInfo.flag) {
					index++;
					end = System.currentTimeMillis();
					if ((end-start)/1000==5) {//5秒之后结束任务
						break;
					}
				}
				System.out.println("index:"+index);
				System.out.println("cost:"+(end-start)/1000+"s");
			}
		}).start();
		
		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(2);//阻塞线程2秒
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		
		VolatileInfo.flag = false;
		System.out.println("条件置为false");
	}
}

  输出结果:

条件置为false
index:269460217
cost:5s

  耗时5秒,并不是2秒后停止(注:静态变量flag用volatile 修饰后执行时间是2秒)。

  3.2)问题分析:

    1)主线程阻塞后修改的flag的值并没有及时写入到主存,子线程没有及时读取到flag值,导致循环继续执行---即存在缓存;

    2)指令重排序,先从主内存中执行读的操作,陷入死循环,不再向主内存写入。

  3.3)解决办法:

    1)flag变量使用volatile关键词修饰;

  2)使用Synchronized加同步锁(从主存中直接读取,相当于禁用缓存,参考4.3);

	while (VolatileInfo.flag) {
		synchronized (this) {
		   index++;
		}
		end = System.currentTimeMillis();
		if ((end - start) / 1000 == 5) {// 5秒之后结束任务
			break;
		}
	}

    3)从eclipse中将jvm执行class文件的方式改为client(默认是server模式,jvm进行了一些优化调整);

    4)从eclipse中配置添加关闭server优化的参数---此处请自行百度^_^;              ---------- 禁止指令重排。

 

4、扩展知识点

   4.1)java内存模型多线程情况下的工作内存和主内存同步协议的8种原子操作:

  lock(锁定):作用于主内存,将主内存中的变量锁定,为一个线程所独有;

      unlock(解锁):作用于主内存,解除lock的锁定,释放后的变量能够被其他线程访问;

  read(读取):作用于主内存,将主内存中的变量读取到工作内存中,以便随后的load动作使用;

  load(载入):作用于工作内存,它把read读取的值保存到工作内存中的变量副本中;

  use(使用):作用于工作内存,它把工作内存中的值传递给线程代码执行引擎;

  assign(赋值):作用于工作内存,它把从执行引擎处理返回的值重新赋值给工作内存中的变量;

  store(存储):作用于工作内存,将变量副本中的值传送到主内存中,以备随后的write操作使用;

  write(写入):作用于主内存,它把store传送值写到主内存的共享变量中。

  4.2)java内存模型操作规范:

  1)将一个变量从主内存复制到工作内存要顺序依次(不一定连续)执行read、load操作;

      2)做了assign操作,必须同步回主内存等。

  4.3)保证线程共享变量可见性的方式:

  1)用final修饰的变量

      2) Synchronized 同步锁

    Synchronized规范, 进入同步块前,先清空工作内存中的共享变量,从主内存中重新加载; 解锁前必须把修改的共享变量同步回主内存。

      锁机制,锁机制保护共享资源,只有获得锁的线程才能操作共享资源。

      3) 用volatile修饰的变量

    volatile语义规范,使用volatile修饰的变量时,必须从主内存中加载,并且read、load是连续的;修改volatile修饰的变量时,必须立即同步到主内存,并且store、write是连续的。

 

 

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