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计算机中为什么会出现…对于volatile这个关键字相信很多朋友都听说过甚至使用过这个关键字虽然字面上理解起来比较简单但是要用好起来却不是一件容易的事。 这篇文章将从多个方面来讲解volatile让你对它更加理解。
计算机中为什么会出现线程不安全的问题
volatile既然是与线程安全有关的问题那我们先来了解一下计算机在处理数据的过程中为什么会出现线程不安全的问题。 大家都知道计算机在执行程序时每条指令都是在CPU中执行的而执行指令过程中会涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主存物理内存当中的这时就存在一个问题由于CPU执行速度很快而从内存读取数据和向内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多因此如果任何时候对数据的操作都要通过和内存的交互来进行会大大降低指令执行的速度。 为了处理这个问题在CPU里面就有了高速缓存(Cache)的概念。当程序在运行过程中会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU的高速缓存当中那么CPU进行计算时就可以直接从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据当运算结束之后再将高速缓存中的数据刷新到主存当中。 我举个简单的例子比如cpu在执行下面这段代码的时候,
t t 1;会先从高速缓存中查看是否有t的值如果有则直接拿来使用如果没有则会从主存中读取读取之后会复制一份存放在高速缓存中方便下次使用。之后cup进行对t加1操作然后把数据写入高速缓存最后会把高速缓存中的数据刷新到主存中。
这一过程在单线程运行是没有问题的但是在多线程中运行就会有问题了。在多核CPU中每条线程可能运行于不同的CPU中因此每个线程运行时有自己的高速缓存对单核CPU来说其实也会出现这种问题只不过是以线程调度的形式来分别执行的本次讲解以多核cup为主。这时就会出现同一个变量在两个高速缓存中的值不一致问题了。 例如 两个线程分别读取了t的值假设此时t的值为0并且把t的值存到了各自的高速缓存中然后线程1对t进行了加1操作此时t的值为1并且把t的值写回到主存中。但是线程2中高速缓存的值还是0进行加1操作之后t的值还是为1然后再把t的值写回主存。 此时就出现了线程不安全问题了。
Java中的线程安全问题
上面那种线程安全问题可能对于不同的操作系统会有不同的处理机制例如Windows操作系统和Linux的操作系统的处理方法可能会不同。 我们都知道Java是一种夸平台的语言因此Java这种语言在处理线程安全问题的时候会有自己的处理机制例如volatile关键字synchronized关键字并且这种机制适用于各种平台。 Java内存模型规定所有的变量都是存在主存当中类似于前面说的物理内存每个线程都有自己的工作内存类似于前面的高速缓存。线程对变量的所有操作都必须在工作内存中进行而不能直接对主存进行操作。并且每个线程不能访问其他线程的工作内存。 由于java中的每个线程有自己的工作空间这种工作空间相当于上面所说的高速缓存因此多个线程在处理一个共享变量的时候就会出现线程安全问题。 这里简单解释下共享变量上面我们所说的t就是一个共享变量也就是说能够被多个线程访问到的变量我们称之为共享变量。在java中共享变量包括实例变量静态变量数组元素。他们都被存放在堆内存中。 volatile关键字
上面扯了一大堆都没提到volatile关键字的作用下面开始讲解volatile关键字是如何保证线程安全问题的。
可见性
什么是可见性
意思就是说在多线程环境下某个共享变量如果被其中一个线程给修改了其他线程能够立即知道这个共享变量已经被修改了当其他线程要读取这个变量的时候最终会去内存中读取而不是从自己的工作空间中读取。 例如我们上面说的当线程1对t进行了加1操作并把数据写回到主存之后线程2就会知道它自己工作空间内的t已经被修改了当它要执行加1操作之后就会去主存中读取。这样两边的数据就能一致了。 假如一个变量被声明为volatile那么这个变量就具有了可见性的性质了。这就是volatile关键的作用之一了。
volatile保证变量可见性的原理
当一个变量被声明为volatile时在编译成会变指令的时候会多出下面一行
0x00bbacde: lock add1 $0x0,(%esp);这句指令的意思就是在寄存器执行一个加0的空操作。不过这条指令的前面有一个lock(锁)前缀。 当处理器在处理拥有lock前缀的指令时 在之前的处理中lock会导致传输数据的总线被锁定其他处理器都不能访问总线从而保证处理lock指令的处理器能够独享操作数据所在的内存区域而不会被其他处理所干扰。 但由于总线被锁住其他处理器都会被堵住从而影响了多处理器的执行效率。为了解决这个问题在后来的处理器中处理器遇到lock指令时不会再锁住总线而是会检查数据所在的内存区域如果该数据是在处理器的内部缓存中则会锁定此缓存区域处理完后把缓存写回到主存中并且会利用缓存一致性协议来保证其他处理器中的缓存数据的一致性。
缓存一致性协议
刚才我在说可见性的时候说“如果一个共享变量被一个线程修改了之后当其他线程要读取这个变量的时候最终会去内存中读取而不是从自己的工作空间中读取”实际上是这样的 线程中的处理器会一直在总线上嗅探其内部缓存中的内存地址在其他处理器的操作情况一旦嗅探到某处处理器打算修改其内存地址中的值而该内存地址刚好也在自己的内部缓存中那么处理器就会强制让自己对该缓存地址的无效。所以当该处理器要访问该数据的时候由于发现自己缓存的数据无效了就会去主存中访问。
有序性
实际上当我们把代码写好之后虚拟机不一定会按照我们写的代码的顺序来执行。例如对于下面的两句代码
int a 1;
int b 2;对于这两句代码你会发现无论是先执行a 1还是执行b 2都不会对a,b最终的值造成影响。所以虚拟机在编译的时候是有可能把他们进行重排序的。 为什么要进行重排序呢 你想啊假如执行 int a 1这句代码需要100ms的时间但执行int b 2这句代码需要1ms的时间并且先执行哪句代码并不会对a,b最终的值造成影响。那当然是先执行int b 2这句代码了。 所以虚拟机在进行代码编译优化的时候对于那些改变顺序之后不会对最终变量的值造成影响的代码是有可能将他们进行重排序的。 更多代码编译优化可以看我写的另一篇文章虚拟机在运行期对代码的优化策略 那么重排序之后真的不会对代码造成影响吗 实际上对于有些代码进行重排序之后虽然对变量的值没有造成影响但有可能会出现线程安全问题的。具体请看下面的代码
public class NoVisibility{private static boolean ready;private static int number;private static class Reader extends Thread{public void run(){while(!ready){Thread.yield();}System.out.println(number);}
}public static void main(String[] args){new Reader().start();number 42;ready true;}
}这段代码最终打印的一定是42吗如果没有重排序的话打印的确实会是42但如果number 42和ready true被进行了重排序颠倒了顺序那么就有可能打印出0了而不是42。因为number的初始值会是0). 因此重排序是有可能导致线程安全问题的。 如果一个变量被声明volatile的话那么这个变量不会被进行重排序也就是说虚拟机会保证这个变量之前的代码一定会比它先执行而之后的代码一定会比它慢执行。 例如把上面中的number声明为volatile那么number 42一定会比ready true先执行。 不过这里需要注意的是虚拟机只是保证这个变量之前的代码一定比它先执行但并没有保证这个变量之前的代码不可以重排序。之后的也一样。 volatile关键字能够保证代码的有序性这个也是volatile关键字的作用。 总结一下一个被volatile声明的变量主要有以下两种特性保证保证线程安全。
可见性。有序性。
volatile真的能完全保证一个变量的线程安全吗
我们通过上面的讲解发现volatile关键字还是挺有用的不但能够保证变量的可见性还能保证代码的有序性。 那么它真的能够保证一个变量在多线程环境下都能被正确的使用吗 答案是否定的。原因是因为Java里面的运算并非是原子操作。
原子操作
原子操作即一个操作或者多个操作 要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断要么就都不执行。 也就是说处理器要嘛把这组操作全部执行完中间不允许被其他操作所打断要嘛这组操作不要执行。 刚才说Java里面的运行并非是原子操作。我举个例子例如这句代码
int a b 1;处理器在处理代码的时候需要处理以下三个操作
从内存中读取b的值。进行a b 1这个运算把a的值写回到内存中
而这三个操作处理器是不一定就会连续执行的有可能执行了第一个操作之后处理器就跑去执行别的操作的。
证明volatile无法保证线程安全的例子
由于Java中的运算并非是原子操作所以导致volatile声明的变量无法保证线程安全。 对于这句话我给大家举个例子。代码如下:
public class Test{public static volatile int t 0;public static void main(String[] args){Thread[] threads new Thread[10];for(int i 0; i 10; i){//每个线程对t进行1000次加1的操作threads[i] new Thread(new Runnable(){Overridepublic void run(){for(int j 0; j 1000; j){t t 1;}}});threads[i].start();}//等待所有累加线程都结束while(Thread.activeCount() 1){Thread.yield();}//打印t的值System.out.println(t);}
}最终的打印结果会是1000 * 10 10000吗答案是否定的。 问题就出现在t t 1这句代码中。我们来分析一下 例如 线程1读取了t的值假如t 0。之后线程2读取了t的值此时t 0。 然后线程1执行了加1的操作此时t 1。但是这个时候处理器还没有把t 1的值写回主存中。这个时候处理器跑去执行线程2注意刚才线程2已经读取了t的值所以这个时候并不会再去读取t的值了所以此时t的值还是0然后线程2执行了对t的加1操作此时t 1 。 这个时候就出现了线程安全问题了两个线程都对t执行了加1操作但t的值却是1。所以说volatile关键字并不一定能够保证变量的安全性。
什么情况下volatile能够保证线程安全
刚才虽然说volatile关键字不一定能够保证线程安全的问题其实在大多数情况下volatile还是可以保证变量的线程安全问题的。所以在满足以下两个条件的情况下volatile就能保证变量的线程安全问题
运算结果并不依赖变量的当前值或者能够确保只有单一的线程修改变量的值。变量不需要与其他状态变量共同参与不变约束。
