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Java内存模型volatile的内存语义 并发编程之Java内存模型volatile的内存语义

李子捌 人气:0
想了解并发编程之Java内存模型volatile的内存语义的相关内容吗,李子捌在本文为您仔细讲解Java内存模型volatile的内存语义的相关知识和一些Code实例,欢迎阅读和指正,我们先划重点:并发编程,Java内存模型,volatile内存语义,下面大家一起来学习吧。

1、volatile的特性

理解volatile特性的一个好办法是把对volatile变量的单个读/写,看成是使用同一个锁对单个读/写操作做了同步。

代码示例:

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      volatile示例
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 21:34
 */
public class VolatileFeatureExample {

    /** 使用volatile声明64位的long型变量 */
    volatile long v1 = 0l;

    /**
     * 单个volatile写操作
     * @param l
     */
    public void set(long l) {
        v1 = l;
    }

    /**
     * 复合(多个)volatile读&写
     */
    public void getAndIncrement() {
        v1++;
    }

    /**
     * 单个volatile变量的读
     * @return
     */
    public long get() {
        return v1;
    }

}

假设有多个线程分别调用上面程序的3个方法,这个程序在语义上和下面程序等价。

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      synchronized等价示例
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 21:46
 */
public class SynFeatureExample {

    /** 定义一个64位长度的普通变量 */
    long v1 = 0L;

    /**
     * 使用同步锁对v1变量进行写操作
     * @param l
     */
    public synchronized void set(long l) {
        v1 = l;
    }


    /**
     *  通过同步读和同步写方法对v1进行+1操作
     */
    public void getAndIncrement() {
        long temp = get();
        // v1加一
        temp += 1L;
        set(temp);
    }

    /**
     * 使用同步锁对v1进行读操作
     * @return
     */
    public synchronized long get() {
        return v1;
    }

}

如上两个程序所示,一个volatile变量的单个读\写操作,与一个普通变量的读\写操作都是使用同一个锁来同步,它们之间的执行效果相同。

上述代码总结:

锁的happens-before规则保证释放锁和获取锁的两个线程之间的内存可见性,这意味着对一个volatile变量的读,总能看到(任意线程)对这个volatile变量最后的写入。
锁的语义决定了临界区代码的执行具有原子性。这意味着,即使是64位的long型和double型变量,只要它是volatile变量,对该变量的读/写就具有原子性。如果是多个volatile操作或类似于volatile++这种复合操作,这些操作整体上不具备原子性。

总结volatile特性:

2、volatile写-读建立的happens-before关系

从JDK1.5(JSR-133)开始,volatile变量的写-读可以实现线程之间的通信。从内存语义的角度来说,volatile的写-读与锁的释放-获取有相同的内存效果。

代码示例:

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 22:23
 */
public class VolatileExample {

    int a = 0;

    volatile boolean flag = false;

    public void writer() {
        a = 1;                              // 1
        flag = true;                        // 2
    }

    public void reader() {
        if (flag) {                         // 3
            int i = a;                      // 4
            System.out.println(i);
        }
    }
    
}

假设线程A执行writer()方法之后,线程B执行reader()方法。根据happens-before规则,

这个过程建立的happens-before关系如下:

图示上述happens-before关系:

总结:这里A线程写一个volatile变量后,B线程读同一个volatile变量。A线程在写volatile变量之前所有可见的共享变量,在B线程读同一个volatile变量后,将立即对B线程可见。

3、volatile写-读的内存语义

volatile写的内存语义

当写一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存中的共享变量值刷新到主内存。

以上面的VolatileExample为例,假设A线程首先执行writer()方法,随后线程B执行reader()方法,初始时两个线程的本地内存中的flag和a都是初始状态。

A执行volatile写后,共享变量状态示意图。

线程A在写flag变量后,本地内存A中被线程A更新过的两个共享变量的值被刷新到主内存中,此时A的本地内存和主内存中的值是一致的。

volatile读的内存语义

当读一个volatile变量时,JMM会把该线程对应的本地内存置为无效。线程接下来将会从主内存中读取共享变量。

B执行volatile读后,共享变量的状态示意图:

在读flag变量后,本地内存B包含的值已经被置为无效。此时,线程B必须从主内存中重新读取共享变量。线程B的读取操作将导致本地内存B与主内存中的共享变量的值变为一致。

总结volatile的写和volatile读的内存语义

4、volatile内存语义实现

程序的重排序分为编译器重排序和处理器重排序(我的前面的博文内容有写哈)。为了实现volatile内存语义,JMM会分别禁止这两种类型的重排序。

volatile重排序规则表:

是否能重排序 第二个操作
第一个操作 普通读/写 volatile读 volatile写
普通读/写 NO
volatile读 NO NO NO
volatile写 NO NO

上图举例:第一行最后一个单元格意思是,在程序中第一个操作为普通读/写时,如果第二个操作为volatile写,则编译器不能重排序。

总结上图:

为了实现volatile的内存语义,编译器在生成字节码时,会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。

JMM采取的是保守策略内存屏障插入策略,如下:

保守策略可以保证在任意处理器平台上,任意程序中都能得到正确的volatile内存语义。

保守策略下,volatile写插入内存屏障后生成的指令序列图:

解释:

StoreStore屏障可以保证在volatile写之前,其前面所有普通写操作已经对任意处理器可见了。这是因为StoreStore屏障将保障上面所有普通写在volatile写之前刷新到主内存。

保守策略下,volatile读插入内存屏障后生成的指令序列图:

解释:

LoadLoad屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通读重排序。LoadStore屏障用来禁止处理器把上面的volatile读与下面的普通写重排序。

上述volatile写和volatile读的内存屏障插入策略非常保守。在实际执行时,只要不改变volatile写-读的内存语义,编译器可以根据具体情况省略不必要的屏障。

代码示例:

package com.lizba.p1;

/**
 * <p>
 *      volatile屏障示例
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 * @Date: 2021/6/9 23:48
 */
public class VolatileBarrierExample {

    int a;
    volatile int v1 = 1;
    volatile int v2 = 2;

    void readAndWrite() {
        // 第一个volatile读
        int i = v1;
        // 第二个volatile读
        int j = v2;
        // 普通写
        a = i + j;
        // 第一个volatile写
        v1 = i + 1;
        // 第二个volatile写
        v2 = j * 2;
    }

    // ... 其他方法

}

针对VolatileBarrierExample的readAndWrite(),编译器生成字节码时可以做如下优化:

注意:最后的StoreLoad屏障无法省略。因为第二个volatile写之后,程序return。此时编译器无法准确断定后面是否会有volatile读写操作,为了安全起见,编译器通常会在这里插入一个StoreLoad屏障。

上面的优化可以针对任意处理器平台,但是由于不同的处理器有不同的“松紧度”的处理器内存模型,内存屏障的插入还可以根据具体的处理器内存模型继续优化。

X86处理器平台优化

X86处理器仅会对写-读操作做重排序。X86不会对读-读、读-写和写-写重排序,因此X86处理器会省略掉这3种操作类型对应的内存屏障。在X86平台中,JMM仅需要在volatile写后插入一个StoreLoad屏障即可正确实现volatile写-读内存语义。同时这样意味着X86处理器中,volatile写的开销会远远大于读的开销。

5、volatile和锁的比较

功能上:

锁比volatile更强大

可伸缩性和执行性能上:

volatile更具有优势

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