面试之线程并发volatile关键字

不念不忘少年蓝@ 2023-02-23 15:24 14阅读 0赞

### 作用 ###

volatile关键字主要有两个功能：  
1、变量的可见行  
2、防止指令重排序

### 可见行 ###

如下图：Java线程工作模型  
![Java线程工作模型][Java]  
Java的线程内存模型分为主内存和工作内存。  
主内存是所有的线程所共享的，工作内存是每个线程自己有一个，不是共享的。  
线程工作时将要用到的变量从主内存拷贝到自己的工作内存，然后在工作内存中进行读和写，写完之后，可能没被更新到主内存去。导致其他线程从主内存拷贝数据到自己的工作区时，拷贝的不是最新的数据。这就是内存可见性问题。

而被volatile修饰的变量，在发生改变的时候会告诉其他线程副本，该变量不可用，需要从主内存重新获取，这样就保证了变量的可见行

### 防止指令重排 ###

public class Singleton { 
        private static volatile Singleton instance;
        private Singleton() { 
        }
    
        public static Singleton getInstance() { 
            if (instance == null) { 
                synchronized (Singleton.class) { 
                    if (instance == null) { 
                        instance = new Singleton();//yi
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
    }

instance变量如果不添加volatile修饰的话，会造成指令重排。  
这里的指令重排序主要体现在instance = new Singleton()这条语句上了。

这条语句显然是个复合操作，可以简单分下，（已完成类加载 ，假设在堆上分配内存）  
1.在堆中分配对象内存  
2.填充对象必要信息+具体数据初始化+末位填充  
3.将引用指向这个对象的堆内地址

2-3步骤不知道哪个先执行，就会造成指令重排。如果单例中有个变量的话，就会造成变量为空。

##### 解决办法 #####

采用内存屏障的方式来防止质量重排。

**硬件层的内存屏障分为两种**：Load Barrier 和 Store Barrier即读屏障和写屏障

*  对于Load Barrier来说，在指令前插入Load Barrier，可以让高速缓存中的数据失效，强制从新从主内存加载数据
 *  对于Store Barrier来说，在指令后插入Store Barrier，能让写入缓存中的最新数据更新写入主内存，让其他线程可见

**Java提供了四种内存屏**障

*  LoadLoad屏障：对于这样的语句Load1; LoadLoad; Load2，在Load2及后续读取操作要读取的数据被访问前，保证Load1要读取的数据被读取完毕
 *  StoreStore屏障：对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见
 *  LoadStore屏障：对于这样的语句Load1; LoadStore; Store2，在Store2及后续写入操作被刷出前，保证Load1要读取的数据被读取完毕
 *  StoreLoad屏障：对于这样的语句Store1; StoreLoad; Load2，在Load2及后续所有读取操作执行前，保证Store1的写入对所有处理器可见。它的开销是四种屏障中最大的。在大多数处理器的实现中，这个屏障是个万能屏障，兼具其它三种内存屏障的功能
 *

在每个volatile写操作的前面插入一个StoreStore屏障。  
在每个volatile写操作的后面插入一个StoreLoad屏障。  
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadLoad屏障。  
在每个volatile读操作的后面插入一个LoadStore屏障。

### happen-before原则 ###

*  Java中happen-before原则，只要是一下八种情况的，都不会出现指令重排
 *  单线程happen-before原则：在同一个线程中，书写在前面的操作happen-before后面的操作。
 *  锁的happen-before原则：同一个锁的unlock操作happen-before此锁的lock操作。
 *  volatile的happen-before原则：对一个volatile变量的写操作happen-before对此变量的任意操作(当然也包括写操作了)。
 *  happen-before的传递性原则：如果A操作 happen-before B操作，B操作happen-before C操作，那么A操作happen-before C操作。
 *  线程启动的happen-before原则：同一个线程的start方法happen-before此线程的其它方法。
 *  线程中断的happen-before原则：对线程interrupt方法的调用happen-before被中断线程的检测到中断发送的代码。
 *  线程终结的happen-before原则：线程中的所有操作都happen-before线程的终止检测。
 *  对象创建的happen-before原则：一个对象的初始化完成先于他的finalize方法调用。

[Java]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200707221926388.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2ppbmc5NTY4OTk0NDk=,size_16,color_FFFFFF,t_70