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介紹下volatile的底層原理

冬至子 ? 來源:并發編程之美 ? 作者:妙啊 ? 2023-06-09 16:17 ? 次閱讀

介紹

線程安全的三大特性,原子性、可見性、有序性,這三大特性與我們之前整理的內容息息相關。本篇重點介紹下volatile的底層原理,幫助我們更好的理解java并發包。

一、原子性

提供了互斥訪問,同一時刻只能有一個線程來對它進行操作。

1. 原子性-synchronizes

2. 原子性-lock

  • lock屬于jdk提供的代碼層面上的鎖,后面單獨總結。

3. 原子性-cas

4. 原子性-對比

  • synchronized:不可中斷鎖(在作用范圍內必須等待執行完),適合競爭不激烈。
  • Lock:可中斷鎖(unlock),競爭激烈時能保持性能常態。
  • Atomic:競爭激烈時能保持性能常態,比Lock性能好,只能同步一個值。

二、可見性

可見性指的是一個線程對主內存的修改,可以被其他線程及時的觀察到。導致共享變量在線程間不可見的原因:

  • 線程交叉執行。
  • 重排序結合線程交叉執行。
  • 共享變量更新后的值沒有在工作內存與主內存間及時更新。

1. 可見性-synchronizes

JMM中關于synchronized的內存語意:

  • 進入synchronized塊的內存語義是把synchronized塊內使用到的變量從線程的工作內存中清除,這樣synchronized塊內使用到該變量就是直接從主內存中獲取。
  • 退出synchronized塊的內存語義是把synchronized塊內對共享變量的修改刷新到主內存。

2. 可見性-volatile

通過加入內存屏障禁止重排序優化來實現。

JMM中關于volatile的內存語意:

  • 當線程寫入volatile變量值時就等價于線程退出synchronized同步塊(對volatile變量寫操作時,會在寫操作后加入一條store屏障指令,將本地內存中的共享變量值刷新到主內存)。
  • 讀取volatile變量值時就相當于進入到同步塊(對volatile變量讀操作,會在讀操作前加入一條load屏障指令,從主內存中讀取共享變量)。

當一個變量被聲明為volatile時,線程在寫入變量時不會把值緩存在寄存器中,而是會把值刷新回主內存。當其他線程讀取該共享變量時,會從主內存重新獲取最新值。

下面看一個volatile內存可見性的例子:

public class VolatileCanSeeTest {


    private static volatile boolean initFlag = false;


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() - > {
            log.info("init begin");
            while(!initFlag) {
            }


            // if(!initFlag) {while(true){}} // JIT
            log.info("===success===");
        }).start();


        Thread.sleep(1000);


        new Thread(() - > doSomething()).start();
    }


    public static void doSomething() {
        log.info("doSomething begin");
        initFlag = true;
        log.info("doSomething end");
    }
}

查看對應的匯編代碼,可以看到使用volatile匯編指令會加上lock前綴指令:

圖片

  • rsp】是寄存器的意思,在java內存模型一節中我們介紹了工作內存就是寄存器以及cpu告訴緩存等的一個抽象概念。
  • 這里值得一提的是,重排序只是編譯器優化的一種表現,上面這段代碼主要是編譯器優化導致的。編譯器會認為這段循環代碼在單線程運行中,initFlag變量不會被改變,從而優化為:
if(!initFlag) {
    while(true){
    }
}

這里結合java內存模型對volatile底層原理進行說明:

圖片

  • 這里添加lock前綴指令的意思是當cpu執行引擎處理完共享變量的計算后,通過asign指令將共享變量回寫到工作內存中后會立即將該共享變量通過store和write指令回寫到主內存,并且給這兩個cpu指令加lock指令鎖。
  • 同時,結合cpu緩存一致性協議,當共享變量回寫主內存時,經過總線觸發MESI協議,另其他包含了該共享變量的緩存行置為無效狀態,所以其他線程需要從主內存中重新加載該共享變量到自己的工作內存,從而保證了共享變量的內存可見性。同時,結合[cpu緩存一致性協議,當共享變量回寫主內存時,經過總線觸發MESI協議,另其他包含了該共享變量的緩存行置為無效狀態,所以其他線程需要從主內存中重新加載該共享變量到自己的工作內存,從而保證了共享變量的內存可見性。

3. 可見性-對比

  • synchronized:保證可見性和原子性,但可能會導致線程上下文切換和增加重新調度的開銷。
  • volatile:只能保證共享變量的可見性,不能解決讀-改-寫等的原子性問題。
  • 關于共享內存可見性以及JMM詳見:java內存模型

三、有序性

一個線程觀察其他線程中的指令執行順序,由于指令重排序的存在,該觀察結果一般雜亂無序。

1. 有序性-happens-before原則

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。可以通過volatile關鍵字來保證一定的有序性,可以通過synchronized、lock保證同一時刻線程順序執行來保證有序性。另外,java內存模型具備先天的有序性,稱為**happens-before **原則:

  • 程序次序規則(保證單線程的有序性,不保證多線程的有序性)

    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操作先行發生于對后面同一個鎖的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,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。

如果兩個操作的執行順序無法從happens-before原則推導出來,那么就無法保證他們的有序性,虛擬機可以隨意的對他們重排序。

2. 有序性-synchronizes

首先,可以明確的一點是:synchronized是無法禁止指令重排和處理器優化的。那么他是如何保證的有序性呢?

synchronized保證的有序性是多個線程之間的有序性,即被加鎖的內容要按照順序被多個線程執行。但是其內部的同步代碼還是會發生重排序,只不過由于編譯器和處理器都遵循as-if-serial語義,所以我們可以認為這些重排序在單線程內部可忽略。

as-if-serial語義的意思指:不管怎么重排序,單線程程序的執行結果都不能被改變。編譯器和處理器無論如何優化,都必須遵守as-if-serial語義。簡單說就是,as-if-serial語義保證了單線程中,不管指令怎么重排,最終的執行結果是不能被改變的。

3. 有序性-volatile

java內存模型允許編譯器和處理器對指令重排序提高運行性能,并且只會對不存在數據依賴性的指令重排序。例:

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

變量c的值依賴a和b的值,所以重排序后能保證c的操作在a,b之后,但是a,b誰先執行就不一定,這在單線程下不存在問題。下面看一個多線程下指令重排序的例子:

public class VolatileSerialTest {


    private static int x = 0, y = 0;


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        Set< String > resultSet = new HashSet<  >();
        Map< String, Integer > resultMap = new HashMap<  >();


        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            x = 0;
            y = 0;
            resultMap.clear();
            Thread one = new Thread(() - > {
                int a = y;
                x = 1;
                resultMap.put("a", a);
            });


            Thread two = new Thread(() - > {
                int b = x;
                y = 1;
                resultMap.put("b", b);
            });


            one.start();
            two.start();
            one.join();
            two.join();


            resultSet.add("a=" + resultMap.get("a") + "," + "b=" + resultMap.get("b"));
            log.info("ab結果:{}", resultSet);
        }
    }
}

由于指令重排序導致可能出現的結果有:

圖片

volatile禁止指令重排序原理:

圖片

volatile通過加入內存屏障禁止指令重排序。 編譯器會根據volatile/synchronized/final等的語義,在特定的位置插入內存屏障。 當遇到特定的內存屏障指令時,處理器將禁止其對應的重排序,保證屏障前面的操作可以被后面的操作可見。

4. 有序性-對比

  • synchronized是一種鎖機制,存在阻塞問題和性能問題,而volatile并不是鎖,所以不存在阻塞和性能問題。
  • volatile借助了內存屏障來幫助其解決可見性和有序性問題,而內存屏障的使用還為其帶來了一個禁止指令重排的附件功能,所以在有些場景中是可以避免發生指令重排的問題的。

結語

本文總結了線程安全的三大特性,同時文中幾乎涉及到了所以之前總結過的知識,在閱讀過程中可以參考之前的文章進行理解。至此,我們對并發包基礎應該有了完整的認識。

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