JAVA并发编程学习笔记10-volatile

概念

volatile关键字是由JVM提供的最轻量级的同步机制，它能保证内存可见性和防止指令重排序。

JMM（JAVA内存模型）常见概念

• 原子性：保证指令不会受到上下文切换的影响
• 有序性：保证指令不会受到CPU并行优化的影响
• 可见性：保证指令不会受到CPU缓存的影响

可见性

多核CPU，由于CPU速度远大于内存速度，故在CPU和内存之间，存在缓存，可以一定程度降低两者之间的差距。但也因此出现了主存和缓存不一致的问题，这个问题我们称为可见性问题。

@Slf4j
public class Test {

    private static boolean flag = true;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            while (flag) {
            }
        }, "t1").start();

        Thread.sleep(1000);
        log.info("stop");
        flag = false;
    }
}

• 期望结果：在主线程休眠结束后，由于flag变为false，while循环会结束。
• 实际结果：t1仍旧处于死循环中，并未因为flag变为false而终止。
• 原因分析：因为t1除了最初从主存中读取了flag的值之后，后续循环一直都读的缓存的值，当主线程更改了flag的值，并未通知t1缓存做出更改，导致循环未退出。
• 解决方案：在flag前加上volatile关键字。因为加上volatile关键字后，当线程修改volatile所修饰的变量时，会直接将缓存中的值写入主存中，同时通知其他缓存更新主存中的数据，故当flag发生变化的同时，t1就监测到其变化，进而终止循环。

指令重排序

如下代码，CPU在保证最终结果一直的情况下，回对程序执行顺序进行优化，可能会先执行j = 2再执行i = 1;

int i = 1;
int j = 2;

说到指令重排序就不得不说到经典的dcl(double check locking)问题了

public class Singleton {

    private Singleton(){};

    private static Singleton INSTANCE = null;

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

• 问题分析：上面代码是经典的dcl代码，但由于有指令重排序问题，可能会出现new Singleton()初始化时，先给INSTANCE绑定了对象地址，但对象还没来得及赋值的情况，而此时另一个线程拿到了这个未赋值的对象时，就会出问题。
• 解决方法：给INSTANCE增加volatile修饰符
• 原理分析：对volatile修饰的属性的读操作，会在读之前加上读屏障（防止读之后的代码跑到前面），对volatile修饰的属性的写操作，会在写操作之后加一个写屏障（防止写之前的操作跑后面去）。构造方法是在赋值前，故不会出现刚刚所说的结果。

happens-before规则

happens-before仅仅要求前一个操作的执行结果对后一个操作是可见的，且前一个操作按顺序排在后一个操作之前。

synchronized

@Slf4j
public class Test {

    private static int count = 0;

    private static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                count++;
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                log.info("count:{}", count);
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

volatile

@Slf4j
public class Test {

    private static volatile int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            count++;
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            log.info("count:{}", count);
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

Thread.start()方法

• 调用start()方法前，需要用到的变量都是读可见
• 同理，线程运行结束时，线程内做出的修改对其他线程读可见

@Slf4j
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        int count = 10;
        new Thread(() -> {
            log.info("count = {}", count);
        }, "t1").start();
    }
}

Thread.internupt()方法

线程被打断后，打断前的变量修改可见

@Slf4j
public class Test {

    private static int count = 10;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                    log.info("count = {}", count);
                    break;
                }
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            count = 20;
            t1.interrupt();
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        while (!t1.isInterrupted()) {
            Thread.yield();
        }
        log.info("count = {}", count);
    }
}

传递性

由于x被volatile修饰，x的修改是可见的，而y在x写操作之前，由于传递性y也是可见的

@Slf4j
public class Test {

    private static volatile int x = 0;

    private static int y = 0;

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            y = 10;
            x = 10;
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            log.info("x = {}, y = {}", x, y);
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}