Java Volatile关键字

原文地址 作者:Jakob Jenkov 译者:小龙虾

Java的volatile关键字用于标记一个变量“应当存储在主存”。更确切地说,每次读取volatile变量,都应该从主存读取,而不是从CPU缓存读取。每次写入一个volatile变量,应该写到主存中,而不是仅仅写到CPU缓存。

实际上,从Java 5开始,volatile关键字除了保证volatile变量从主存读写外,还提供了更多的保障。我将在后面的章节中进行说明。

变量可见性问题

Java的volatile关键字能保证变量修改后,对各个线程是可见的。这个听起来有些抽象,下面就详细说明。

在一个多线程的应用中,线程在操作非volatile变量时,出于性能考虑,每个线程可能会将变量从主存拷贝到CPU缓存中。如果你的计算机有多个CPU,每个线程可能会在不同的CPU中运行。这意味着,每个线程都有可能会把变量拷贝到各自CPU的缓存中,如下图所示:

对于非volatile变量,JVM并不保证会从主存中读取数据到CPU缓存,或者将CPU缓存中的数据写到主存中。这会引起一些问题,在后面的章节中,我会来解释这些问题。

试想一下,如果有两个以上的线程访问一个共享对象,这个共享对象包含一个counter变量,下面是代码示例:

public class SharedObject {

    public int counter = 0;

}

如果只有线程1修改了(自增)counter变量,而线程1和线程2两个线程都会在某些时刻读取counter变量。

如果counter变量没有声明成volatile,则counter的值不保证会从CPU缓存写回到主存中。也就是说,CPU缓存和主存中的counter变量值并不一致,如下图所示:

这就是“可见性”问题,线程看不到变量最新的值,因为其他线程还没有将变量值从CPU缓存写回到主存。一个线程中的修改对另外的线程是不可见的。

volatile可见性保证

Java的volatile关键字就是设计用来解决变量可见性问题。将counter变量声明为volatile,则在写入counter变量时,也会同时将变量值写入到主存中。同样的,在读取counter变量值时,也会直接从主存中读取。

下面的代码演示了如果将counter声明为volatile:

public class SharedObject {

    public volatile int counter = 0;

}

将一个变量声明为volatile,可以保证变量写入时对其他线程的可见。

在上面的场景中,一个线程(T1)修改了counter,另一个线程(T2)读取了counter(但没有修改它),将counter变量声明为volatile,就能保证写入counter变量后,对T2是可见的。

然而,如果T1和T2都修改了counter的值,只是将counter声明为volatile还远远不够,后面会有更多的说明。

完整的volatile可见性保证

实际上,volatile的可见性保证并不是只对于volatile变量本身那么简单。可见性保证遵循以下规则:

  • 如果线程A写入一个volatile变量,线程B随后读取了同样的volatile变量,则线程A在写入volatile变量之前的所有可见的变量值,在线程B读取volatile变量后也同样是可见的。
  • 如果线程A读取一个volatile变量,那么线程A中所有可见的变量也会同样从主存重新读取。

下面用一段代码来示例说明:

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;


    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

update()方法写入3个变量,其中只有days变量是volatile。

完整的volatile可见性保证意味着,在写入days变量时,线程中所有可见变量也会写入到主存。也就是说,写入days变量时,years和months也会同时被写入到主存。

下面的代码读取了years、months、days变量:

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;

    public int totalDays() {
        int total = this.days;
        total += months * 30;
        total += years * 365;
        return total;
    }

    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

请注意totalDays()方法开始读取days变量值到total变量。在读取days变量值时,months和years的值也会同时从主存读取。因此,按上面所示的顺序读取时,可以保证读取到days、months、years变量的最新值。

译者注:可以将对volatile变量的读写理解为一个触发刷新的操作,写入volatile变量时,线程中的所有变量也都会触发写入主存。而读取volatile变量时,也同样会触发线程中所有变量从主存中重新读取。因此,应当尽量将volatile的写入操作放在最后,而将volatile的读取放在最前,这样就能连带将其他变量也进行刷新。上面的例子中,update()方法对days的赋值就是放在years、months之后,就是保证years、months也能将最新的值写入到主存,如果是放在两个变量之前,则days会写入主存,而years、months则不会。反过来,totalDays()方法则将days的读取放在最前面,就是为了能同时触发刷新years、months变量值,如果是放后面,则years、months就可能还是从CPU缓存中读取值,而不是从主存中获取最新值。

指令重排问题

出于性能考虑,JVM和CPU是允许对程序中的指令进行重排的,只要保证(重排后的)指令语义一致即可。如下代码为例:

int a = 1;
int b = 2;

a++;
b++;

这些指令可以按以下顺序重排,而不改变程序的语义:

int a = 1;
a++;

int b = 2;
b++;

然而,指令重排面临的一个问题就是对volatile变量的处理。还是以前面提到的MyClass类来说明:

public class MyClass {
    private int years;
    private int months
    private volatile int days;


    public void update(int years, int months, int days){
        this.years  = years;
        this.months = months;
        this.days   = days;
    }
}

一旦update()变量写了days值,则years、months的最新值也会写入到主存。但是,如果JVM重排了指令,比如按以下方式重排:

public void update(int years, int months, int days){
    this.days   = days;
    this.months = months;
    this.years  = years;
}

在days被修改时,months、years的值也会写入到主存,但这时进行写入,months、years并不是新的值(译者注:即在months、years被赋新值之前,就触发了这两个变量值写入主存的操作,自然这两个变量在主存中的值就不是新值)。新的值自然对其他线程是不可见的。指令重排导致了程序语义的改变。

Java对此有一个解决方法,我们会在下一章节中说明。

Java volatile Happens-Before保证

为了解决指令重排的问题,Java的volatile关键字在可见性之外,又提供了happends-before保证。happens-before原则如下:

  • 如果有读写操作发生在写入volatile变量之前,读写其他变量的指令不能重排到写入volatile变量之后。写入一个volatile变量之前的读写操作,对volatile变量是有happens-before保证的。注意,如果是写入volatile之后,有读写其他变量的操作,那么这些操作指令是有可能被重排到写入volatile操作指令之前的。但反之则不成立。即可以把位于写入volatile操作指令之后的其他指令移到写入volatile操作指令之前,而不能把位于写入volatile操作指令之前的其他指令移到写入volatile操作指令之后。
  • 如果有读写操作发生在读取volatile变量之后,读写其他变量的指令不能重排到读取volatile变量之前。注意,如果是读取volatile之前,有读取其他变量的操作,那么这些操作指令是有可能被重排到读取volatile操作指令之后的。但反之则不成立。即可以把位于读取volatile操作指令之前的指令移到读取volatile操作指令之后,而不能把位于读取volatile操作指令之后的指令移到读取volatile操作指令之前。

以上的happens-before原则为volatile关键字的可见性提供了强制保证。

译者注:这两个原则读起来有些拗口(当然翻译也不足够好),其实就是不管JVM怎么去禁止/允许某些情况下的指令重排,最终就是保证“完整的volatile可见性保证”的那种效果,所以,只要理解了“完整的volatile可见性保证”的效果就足够了。

volatile并不总是可行的

虽然volatile关键字能保证volatile变量的所有读取都是直接从主存读取,所有写入都是直接写入到主存中,但在一些情形下,仅仅是将变量声明为volatile还是远远不够的。

就像前面示例所说的,线程1写入共享变量counter的值,将counter声明为volatile已经足够保证线程2总是能获取到最新的值。

事实上,多个线程都能写入共享的volatile变量,主存中也能存储正确的变量值,然而这有一个前提,变量新值的写入不能依赖于变量的旧值。换句话说,就是一个线程写入一个共享volatile变量值时,不需要先读取变量值,然后以此来计算出新的值。

如果线程需要先读取一个volatile变量的值,以此来计算出一个新的值,那么volatile变量就不足够保证正确的可见性。(线程间)读写volatile变量的时间间隔很短,这将导致一个竞态条件,多个线程同时读取了volatile变量相同的值,然后以此计算出了新的值,这时各个线程往主存中写回值,则会互相覆盖。

多个线程对counter变量进行自增操作就是这样的情形,下面的章节会详细说明这种情形。

设想一下,如果线程1将共享变量counter的值0读取到它的CPU缓存,然后自增为1,而还没有将新值写回到主存。线程2这时从主存中读取的counter值依然是0,依然放到它自身的CPU缓存中,然后同样将counter值自增为1,同样也还没有将新值写回到主存。如下图所示:

从实际的情况来看,线程1和线程2现在就是不同步的。共享变量counter正确的值应该是2,但各个线程中CPU缓存的值都是1,而主存中的值依然是0。这是很混乱的。即使线程最终将共享变量counter的值写回到主存,那值也明显是错的。

何时使用volatile

正如我前面所说,如果两个线程同时读写一个共享变量,仅仅使用volatile关键字是不够的。你应该使用 synchronized 来保证读写变量是原子的。(一个线程)读写volatile变量时,不会阻塞(其他)线程进行读写。你必须在关键的地方使用synchronized关键字来解决这个问题。

除了synchronized方法,你还可以使用java.util.concurrent包提供的许多原子数据类型来解决这个问题。比如,AtomicLongAtomicReference,或是其他的类。

如果只有一个线程对volatile进行读写,而其他线程只是读取变量,这时,对于只是读取变量的线程来说,volatile就已经可以保证读取到的是变量的最新值。如果没有把变量声明为volatile,这就无法保证。

volatile关键字对32位和64位的变量都有效。

volatile的性能考量

读写volatile变量会导致变量从主存读写。从主存读写比从CPU缓存读写更加“昂贵”。访问一个volatile变量同样会禁止指令重排,而指令重排是一种提升性能的技术。因此,你应当只在需要保证变量可见性的情况下,才使用volatile变量。

原创文章,转载请注明: 转载自并发编程网 – ifeve.com本文链接地址: Java Volatile关键字

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  • 评论 (2)
    • tonycody
    • 2019/12/05 5:56下午

    可见性好验证,第二个”完整的volatile可见性保证“,怎么验证?

    • letianyuweng
    • 2019/12/06 8:52上午

    “更确切地说,每次读取volatile变量,都应该从主存读取,而不是从CPU缓存读取。每次写入一个volatile变量,应该写到主存中,而不是仅仅写到CPU缓存。”这句话有问题吧,volatile保证了变量的可见性,可见性的保证是通过总线的通知机制实现了,当其他线程修改了变量值,会标记缓存变量失效,cp读取变量时重新到主存读取。没有修改的情况下,如果缓存中存在变量,还是直接从缓存中直接读取

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