volatile实现可见性的原理

最新推荐文章于 2025-04-14 15:45:58 发布

nch_ren

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分类专栏：并发编程

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/nch_ren/article/details/78924808

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  在java并发编程中，一定绕不开volatile、synchronized和lock几个关键字，其中volatile关键字是用来解决共享变量（类成员变量、类的静态成员变量等）的可见性问题的，非共享变量（方法的局部变量）是分配在JVM虚拟机的栈中，是线程私有的，不涉及可见性问题。那么什么是可见性？ 

  可见性：在JAVA规范中是这样定义的：java编程语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致地更新，线程应该确保通过排他锁单独获得这个变量。通俗的将就是如果有一个共享变量N，当有两个线程T1、T2同时获取了N的值，T1修改N的值，而T2读取N的值。那么可见性规范要求T2读取到的必须是T1修改后的值，而不能在T2读取旧值后T1修改为新值。volatile关键字修饰的共享变量可以提供这种可见性规范，也叫做读写可见。那么底层实现是通过机制保证volatile变量读写可见的？ 

Volatile的实现机制：在说这个问题之前，我们先看看CPU是如何执行java代码的。

   首先编译之后Java代码会被编译成字节码.class文件，在运行时会被加载到JVM中，JVM会将.class转换为具体的CPU执行指令，CPU加载这些指令逐条执行。 
 

   以多核CPU为例（两核），我们知道CPU的速度比内存要快得多，为了弥补这个性能差异，CPU内核都会有自己的高速缓存区，当内核运行的线程执行一段代码时，首先将这段代码的指令集进行缓存行填充到高速缓存，如果非volatil变量当CPU执行修改了此变量之后，会将修改后的值回写到高速缓存，然后再刷新到内存中。如果在刷新会内存之前，由于是共享变量，那么CORE2中的线程执行的代码也用到了这个变量，这是变量的值依然是旧的。volatile关键字就会解决这个问题的，如何解决呢，首先被volatile关键字修饰的共享变量在转换成汇编语言时，会加上一个以lock为前缀的指令，当CPU发现这个指令时，立即做两件事： 
 

   1.将当前内核高速缓存行的数据立刻回写到内存； 
 

   2.使在其他内核里缓存了该内存地址的数据无效。 
 

   第一步很好理解，第二步如何做到呢？ 
 

   MESI协议：在早期的CPU中，是通过在总线加LOCK#锁的方式实现的，但这种方式开销太大，所以Intel开发了缓存一致性协议，也就是MESI协议，该解决缓存一致性的思路是：当CPU写数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，那么他会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行设置为无效状态。当其他CPU使用这个变量时，首先会去嗅探是否有对该变量更改的信号，当发现这个变量的缓存行已经无效时，会从新从内存中读取这个变量。 
 

   以上这些就是volatile关键字的内部实现机制，使用Volatile有什么好处呢？ 
 

   使用volatile的好处：从底层实现原理我们可以发现，volatile是一种非锁机制，这种机制可以避免锁机制引起的线程上下文切换和调度问题。因此，volatile的执行成本比synchronized更低。 
 

   volatile的不足：使用volatile关键字，可以保证可见性，但是却不能保证原子操作，例如： 
 

public class TestVolatile {
    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)
            Thread.yield();
        System.out.println(test.inc);
    }
}

   这里我们用10个线程，每个线程+1000，预期应该是10000，实际上编译执行这段代码，输出值都会小于10000。为什么会这样？因为，自增操作并不是原子操作，它含括读，加1，写入工作内存三步操作。这三步是分开操作的，当inc的值为5，thead1执行自增操作，当thread1读到5之后，还没有来得及写入就被阻塞了，那么thead2读取的依然是原值。所以volatile的非锁机制只能保证修饰的变量的可见性，而当对变量进行非原子操作时，volatile就无法保证了。这种时候就需要使用synchronzied或lock。 
 