Java并发编程艺术 - volatile使用和原理

Java代码经过Java编译器编译成字节码，并由类加载器加载到JVM运行时数据区，
最终由JVM执行引擎执行字节码，转换为汇编指令在CPU内执行。

Java并发机制主要依赖JVM实现和CPU指令。

volatile

volatile修饰变量，提供多处理器并发中共享变量的可见性，是轻量的synchronized。

volatile由CPU指令实现，不会引起上下文切换，性能比synchronized高。

可见性问题

可见性问题是受Java内存模型的影响。

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从上图可知，多线程对共享变量在本地内存进行处理，虽然提高执行效率，但是将带来可见性和数据同步问题。

多线程编程中，对于volatile共享变量，一个线程进行了修改，对于其他线程能及时读取修改后的值，以做到资源同步。

volatile定义

如果一个变量被声明为volatile，那么该变量在多线程中将互相可见，保障准确和一致性。

内存屏障/内存栅栏

一系列CPU指令，控制内存操作的顺序，可以解决指令重排和可见性问题。

其中，指令重排是JIT对代码的优化。

内存屏障插入策略：

在volatile写前插入storestore，禁止上面普通写与volatile写重排
在volatile写后插入storeload，禁止下面volatile读/写与volatile写重排
在volatile读后插入loadload，禁止下面普通读与volatile写读重排
在volatile读后插入loadstore，禁止下面普通写与volatile读重排

volatile实现原理

在共享变量写前，CPU新增Lock操作指令，实现以下效果：

将当期缓存行回写系统内存
其他CPU缓存该内存地址数据无效

为提高处理速度，CPU不和主存直接交互，而是将主存数据读取到缓存，但缓存写回内存时间未知。

通过volatile将通过Lock指令实现写回操作，其他处理器通过总线检查缓存值是否过期；若发现
缓存行地址变更，则将缓存行置为无效。

当处理器处理数据时，发现无效标志则会从主存中重新加载数据至缓存。

说明

Lock前缀指令会引起处理器缓存写回内存。Lock可以锁定缓存区域，实现原子操作。

处理器缓存写回操作将引起其他处理的该缓存无效。处理器嗅探缓存地址，若处于共享状态，无效缓存行后，下次访问进行强制缓存行填充。

volatile优化

JDK7追加64字节能够提高LinkedTransferQueue并发编程的效率

缓存的最小单位是缓存行，常见CPU的缓存行是64字节宽(8字节)，不支持部分缓存行。

不满64字节，则缓存队列头和尾至同一缓存行。

当CPU修改头节点，需要锁定缓存行，导致其他CPU不能处理缓存，影响队列入队和出队效率。

追加至64位，填满缓存行，避免队列的头和尾节点被同一缓存行同时锁定。

volatile使用

public class VolatileTest {

    //原子变量，缓存无效直接取主存
    private volatile int num = 0;

    //检测值变化
    private void test() {
        while (true) {
            //测试在一行代码中，num是否会有多个值情况
            if (num == 1 && num == 2 && num == 3) {
                System.out.println("不一致");
            }
        }
    }

    //修改值
    private void change() {
        while (true) {
            //频繁修改num值
            for (int i = 0; i < 4; i++) {
                num = i;
            }
        }
    }

    public void start() {
        new Thread(this::test).start();
        new Thread(this::change).start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        new VolatileTest().start();
    }
}

结果频繁出现：不一致
若不使用volatile，因为线程执行速度快，偶尔会出现不一致但不频繁
说明volatile可以实时同步各线程共享变量

volatile修饰用法

volatile 基本变量int\boolean等，例如volatile int a=1；保障可见性
volatile 对象，例如volatile Singleton singleton；防止指令重排

注意

volatile保障变量在线程间的可见性，但不保障操作原子性