线程并发艺术之二:volatile关键字

柔情只为你懂 2022-04-18 02:37 210阅读 0赞

定义：

java语言规范第三版：

> java编程计语言允许线程访问共享变量，为了确保共享变量能被准确和一致的更新，线程应该确保通过排它锁单独获取这个变量。
> 
> java提供了volatile关键字，在某些情况下比锁更加方便。如果一个字段（变量）被volatile修饰，java线程内存模型确保所有线程看到这个变量值是一样的。

在x86处理器下通过工具获取JIT编译器生成的汇编指令来查看对volatile进行写操作时，cpu会做什么事情。

java代码：

> instance =new Singleton（）;//instance是volatile变量
> 
>

对应的汇编代码：

> 0x01a3de1d:movb $x0,0x1104800(%esi);
> 
> 0x0xa3de24: **lock**add1 $0x0,(%esp);

Lock前缀的指令在多核处理器下会引发两件事：

*  将当前处理器缓存行的数据写回到系统内存。（注：缓存行是指cpu高速缓存中可以分配的最小存储单元。处理器填写缓存    行时会加载整个缓存行）
 *  这个写回内存的操作会使在其他cpu里缓存了该内存地址的数据无效（如果其他处理器对这个数据进行修改操作时，会重新从系统内存把数据读取到处理器缓存里）。

实现原理：

1.  Lock前缀指令会处理器缓存回写到内存
2.  一个处理器的缓存回写到内存会导致其他处理器的缓存无效((**可见性**))

volatile的使用优化：

jdk1.7并发包新增一个队列集合类LinkedTransferQueue，它在使用volatile变量时，通过追加字节的方式来优化队列出队和入队的性能。

**为什么追加字节（64）可以优化性能？**

对于英特尔酷睿i7、酷睿、Atom和NetVurs等处理器的L1,L2或L3缓存高速**缓存行**是64个字节宽，不支持部分填充缓存行，而一个引用变量占4个字节，就有可能导致多个应用变量一起填充到同一个缓存行中，对缓存行加锁，这样会使得队列的头结点和尾节点可能出现在同一个缓存行中，而队列的入队与出队操作时在不断的修改头结点和尾节点，就可能导致头结点和为节点同时锁定，多处理器下严重影响性能。

以下情况：使用volatile变量是不应该追加到64字节：

*  缓存行宽度不是64字节（如P6系列和奔腾处理器，L1，L2是32字节宽）
 *  共享变量不会被频繁的写，不频繁写，那么缓存行被锁定的几率很小

#  灵魂拷问:为什么需要使用volatile?? #

多线程安全需要考虑原子性,可见性,有序性

而volatile提供了可见性,有序性（不提供原子性，原子性可以使用atomic包，或者synchronized 关键字加锁 ）

**可见性**: A线程修改了volatile 变量,会导致B线程持有得到该变量失效,需要重新到主内存读取,也就是A修改B线程可见

（所有线程对变量的操作都是 现将 数据从主内存读取副本到工作内存（线程私有内存），操作完成之后，刷回主内存），volatile 则可以通知 其他线程 变量失效，需要重新到 主内存读取操作

**有序性**:volatile 满足happensBefore 原则,如果操作次序可以由原则推出,则不会发生指令重排（**通过插入内存屏障，禁用指令与内存屏障前后发生重排；内存屏障的另一个作用是通知cpu 强制刷新缓存，获取最新的值**）

可见性测试代码：

class Data{
       volatile int number=0;
        public void changeNumber(){
            number=1;
        }
    }
    public class UnderstandVolatile {
        // 测试可见性
        public static void main(String[] args) {
            Data data=new Data();
            // 1. data 不加volatile   //
            //      结果:CHANGE come in
            //           CHANGE updated value:1
            // 2. data 加上volatile
            // 结果: CHANGE come in
            //       CHANGE updated value:1
            //       main: finished
            // 第一个线程去改数据,用3s 完成数据更改
            new Thread(()->{
               System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" come in");
                try {
                    Thread.sleep(3*1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                data.changeNumber();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" updated value:"+data.number);
            },"CHANGE").start();
            // 第二个线程 main ,等待线程 1 完成数据更改
            while (data.number==0){
            }
            System.out.println("main: finished");
        }
    }

# 在什么地方使用volatile? #

DCL=Double check       Lock( 双端检测机制，单例模式会用到）