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内存模型与volatile,怎么能在多线程下“不乱跑”?

作者/来源:新睿云小编 发布时间:2019-12-12

volatile的变量是说这变量可能会被意想不到地改变,这样,编译器就不会去假设这个变量的值了。作用是作为指令关键字,确保本条指令不会因编译器的优化而省略,且要求每次直接读值。其在JAVE中应用很广,如果我们想要对此理解透彻,其内存模型不得不了解一下。

一、内存模型的相关概念

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,势必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。因此在CPU里面就有了高速缓存。

也就是,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。举个简单的例子,比如下面的这段代码:

i = i + 1;

当线程执行这个语句时,会先从主存当中读取i的值,然后复制一份到高速缓存当中,然后CPU执行指令对i进行加1操作,然后将数据写入高速缓存,最后将高速缓存中i最新的值刷新到主存当中。

这个代码在单线程中运行是没有任何问题的,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)。本文我们以多核CPU为例。

比如同时有2个线程执行这段代码,假如初始时i的值为0,那么我们希望两个线程执行完之后i的值变为2。但是事实会是这样吗?

可能存在下面一种情况:初始时,两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中,然后线程1进行加1操作,然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0,进行加1操作之后,i的值为1,然后线程2把i的值写入内存。

最终结果i的值是1,而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。

以就出现了缓存一致性协议。最出名的就是Intel 的MESI协议,MESI协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它核心的思想是:当CPU写数据时,如果发现操作的变量是共享变量,即在其他CPU中也存在该变量的副本,会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态,因此当其他CPU需要读取这个变量时,发现自己缓存中缓存该变量的缓存行是无效的,那么它就会从内存重新读取。

内存模型 

内存模型

二、Java内存模型以及volatile关键字

Java虚拟机规范中试图定义一种Java内存模型(Java Memory Model,JMM)来屏蔽各个硬件平台和操作系统的内存访问差异,以实现让Java程序在各种平台下都能达到一致的内存访问效果。那么Java内存模型规定了哪些东西呢,它定义了程序中变量的访问规则,往大一点说是定义了程序执行的次序。注意,为了获得较好的执行性能,Java内存模型并没有限制执行引擎使用处理器的寄存器或者高速缓存来提升指令执行速度,也没有限制编译器对指令进行重排序。也就是说,在java内存模型中,也会存在缓存一致性问题和指令重排序的问题。

如果一个变量被volatile所修饰的话,在每次数据变化之后,其值都会被强制刷入主存。而其他处理器的缓存由于遵守了缓存一致性协议,也会把这个变量的值从主存加载到自己的缓存中。这就保证了一个volatile在并发编程中,其值在多个缓存中是可见的。

缓存可见 

缓存可见

volatile与可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时,一个线程修改了这个变量的值,其他线程能够立即看得到修改的值。

说到可见性,Java就是利用volatile来提供可见性的。 当一个变量被volatile修饰时,那么对它的修改会立刻刷新到主存,当其它线程需要读取该变量时,会去内存中读取新值。而普通变量则不能保证这一点。

其实通过synchronized和Lock也能够保证可见性,线程在释放锁之前,会把共享变量值都刷回主存,但是synchronized和Lock的开销都更大。

volatile与有序性

有序性即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。

double pi = 3.14;    //A

double r = 1;        //B

double s= pi * r * r;//C

 

上面的语句,可以按照A->B->C执行,结果为3.14,但是也可以按照B->A->C的顺序执行,因为A、B是两句独立的语句,而C则依赖于A、B,所以A、B可以重排序,但是C却不能排到A、B的前面。JMM保证了重排序不会影响到单线程的执行,但是在多线程中却容易出问题。

比如这样的代码:

int a = 0;

bool flag = false;

public void write() {

    a = 2;              //1

    flag = true;        //2

}

public void multiply() {

    if (flag) {         //3

        int ret = a * a;//4

    }

    

}

假如有两个线程执行上述代码段,线程1先执行write,随后线程2再执行multiply,最后ret的值一定是4吗?结果不一定:

多线程执行 

多线程执行

write方法里的1和2做了重排序,线程1先对flag赋值为true,随后执行到线程2,ret直接计算出结果,再到线程1,这时候a才赋值为2,很明显迟了一步。

这时候可以为flag加上volatile关键字,禁止重排序,可以确保程序的“有序性”,也可以上重量级的synchronized和Lock来保证有序性,它们能保证那一块区域里的代码都是一次性执行完毕的。

volatile与原子性

原子性是指一个操作是不可中断的,要全部执行完成,要不就都不执行。

i = 2;

j = i;

i++;

i = i + 1;

上面4个操作中,i=2是读取操作,必定是原子性操作,j=i你以为是原子性操作,其实吧,分为两步,一是读取i的值,然后再赋值给j,这就是2步操作了,称不上原子操作,i++和i = i + 1其实是等效的,读取i的值,加1,再写回主存,那就是3步操作了。所以上面的举例中,最后的值可能出现多种情况,就是因为满足不了原子性。

这么说来,只有简单的读取,赋值是原子操作,还只能是用数字赋值,用变量的话还多了一步读取变量值的操作。有个例外是,虚拟机规范中允许对64位数据类型(long和double),分为2次32为的操作来处理,但是最新JDK实现还是实现了原子操作的。

JMM只实现了基本的原子性,像上面i++那样的操作,必须借助于synchronized和Lock来保证整块代码的原子性了。线程在释放锁之前,必然会把i的值刷回到主存的。

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