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【多线程&高并发】深入浅出volatile关键字


1.来自我的灵魂拷问

你是否经常碰到volatile关键字?

volatile关键字的作用是什么?

JMM层面如何理解volatile关键字?

你是否探究过volatile在汇编层面的实现?

如何看待下面两行代码?

private int num = 0;
private volatile int num2 = 0;



2.volatile关键字的作用

(1) 保证了线程间共享变量的可见性
(2) 禁止指令重排

可见性问题是怎么产生的?

/**
* @author:Ronin
* @since:2021/12/7

*/
public class Visibility {
private static boolean initFlag = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
while (!initFlag) {

}
}).start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

new Thread(() -> {
initFlag = true;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程将flag修改为了true!");
}).start();
}
}

程序将一直处于运行状态,虽然线程2修改了flag为true,但是线程1是不可见的;如果你不理解JMM中的可见性问题,请移步:​​深入浅出JMM-Java线程内存模型​​。

当我加入volatile关键字之后会出现什么情况呢?

【多线程&高并发】深入浅出volatile关键字_后端


程序将正常退出!


3.在JMM中volatile关键字怎么保证可见性的呢?

【多线程&高并发】深入浅出volatile关键字_后端_02


主要是通过MESI缓存一致性协议来实现的;当线程2对initFlag修改为true之后,处理器2会立即将修改后的数据从缓存中同步到主内存,在这个同步的过程中会经过总线,会被处理器1的总线嗅探机制监听到initFlag发生了变化,处理器1会立即将缓存的initFlag=false失效。等到下次再使用initFlag时,需要重新从主内存读取。这样就保证了线程间共享变量的可见性。

4.对以上代码进行反汇编处理,查看底层volatile的实现原理


【多线程&高并发】深入浅出volatile关键字_volatile_03

Ctrl+F搜索lock关键字

【多线程&高并发】深入浅出volatile关键字_后端_04

可以看出第十五行Java代码在汇编指令中使用lock指令前缀

private static volatile boolean flag = true;

继续向下搜索lock出现的地方

【多线程&高并发】深入浅出volatile关键字_开发语言_05

可以看出第25行代码在底层汇编也使用了lock指令前缀

【多线程&高并发】深入浅出volatile关键字_开发语言_06

将flag修改为了false,使用lock前缀之后,CPU会将数据立即刷新到主存中,然后其他CPU根据总线嗅探机制,检测到flag值发生了变化,会立即将工作内存中的flag失效(因为同步到主内存需要经过总线)【多核计算机中,会有多个处理器,我这里说的CPU不是同一个】

5.指令重排机制

“你看到的不一定是你以为的!”,用这句话修饰指令重排非常贴切。我们在语言层面编写代码时是按照思维和习惯去编写的,但编译器和CPU执行时的顺序和我们编写的顺序可能不一致。这是因为每个层面都有各自关注的事情,编译器和CPU可能会对我们的代码先优化再执行,以提高执行效率。

所以说指令重排是为了提高机器的执行效率而提出的一种的措施。如下图所示,左边是原来的代码,经过编译器优化可能会变成右边的代码

【多线程&高并发】深入浅出volatile关键字_可见性_07

TODO:指令重排待写…

分析如下代码

import org.openjdk.jcstress.annotations.*;
import org.openjdk.jcstress.infra.results.I_Result;

/**
* @author:Ronin
* @since:2021/12/2

*/
@JCStressTest
@State
@Outcome(id = {"1", "4"}, expect = Expect.ACCEPTABLE, desc = "这是期待的结果")
@Outcome(id = "0", expect = Expect.ACCEPTABLE_INTERESTING, desc = "这是不期待的结果")
public class VisibilityTest {

/**
* 结果有三种可能 4, 1,0(这个0是因为指令重排)
*/
private int a = 0;
private boolean flag = false;
@Actor //线程1
public void method(I_Result result) {
if (flag) {
result.r1 = a * 2;
} else {
result.r1 = 1;
}
}

@Actor //线程2
public void method2(I_Result result) {
a = 2; //这个地方有可能会发生指令重排,也就是a=2和flag=true互换
flag = true;
}

}


上述代码使用jcstress工具对代码进行数亿的测试【注意测试时稍微耗电】,统计结果如下

【多线程&高并发】深入浅出volatile关键字_volatile_08


可以看出出现了结果为0的情况,这是因为发生了指令重排,使得下面两行代码发生了替换

= 2;              
flag = true;



6.volatile关键字总结

(1) 保证了线程间共享变量的可见性
(2) 禁止指令重排


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