Java多线程之volatile的原理和应用

在了解volatile之前需要补充一些知识:

我们无法确保执行读操作的线程能适时地看到其他线程写入的值,有时甚至是根本不可能的事情。为了确保多个线程之间对内存写入操作的可见性,必须使用同步机制。

在 Java 中 volatile、synchronized 和 final 实现可见性。

可见性,是指线程之间的可见性,一个线程修改的状态对另一个线程是可见的。也就是一个线程修改的结果。另一个线程马上就能看到。比如:用volatile修饰的变量,就会具有可见性。volatile修饰的变量不允许线程内部缓存和重排序,即直接修改内存。所以对其他线程是可见的。

 

volatile原理

Java语言提供了一种稍弱的同步机制,即volatile变量,用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后,编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的,因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方,因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

  在访问volatile变量时不会执行加锁操作,因此也就不会使执行线程阻塞,因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。

                                                                  Java多线程之volatile的原理和应用

  当对非 volatile 变量进行读写的时候,每个线程先从内存拷贝变量到CPU缓存中。

        如果计算机有多个CPU,每个线程可能在不同的CPU上被处理。

        当使用了volatile关键字,在汇编语言中会多一个Lock指令,Lock指令作用是:

           1、将当前处理器缓存行(cpu缓存的最小单位)的内容写回到系统内存。

           2、写回到内存的操作会使在其他cpu缓存了该内存地址的数据失效。

  而声明变量是 volatile 的,JVM 保证了每次读变量都从内存中读,跳过 CPU cache 这一步。

当一个变量定义为 volatile 之后,将具备两种特性:

  1.保证此变量对所有的线程的可见性,这里的“可见性”,如本文开头所述,当一个线程修改了这个变量的值,volatile 保证了新值能立即同步到主内存,以及每次使用前立即从主内存刷新。但普通变量做不到这点,普通变量的值在线程间传递均需要通过主内存来完成。

  2.禁止指令重排序优化。有volatile修饰的变量,赋值后多执行了一个“load addl $0x0, (%esp)”操作,这个操作相当于一个内存屏障(指令重排序时不能把后面的指令重排序到内存屏障之前的位置),只有一个CPU访问内存时,并不需要内存屏障;(什么是指令重排序:是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理)。

volatile 性能:

  volatile 的读性能消耗与普通变量几乎相同,但是写操作稍慢,因为它需要在本地代码中插入许多内存屏障指令来保证处理器不发生乱序执行。

 

但不要盲目使用过多的volatile修饰变量,若过多使用,CPU cache这部分资源没有合理运用上,则系统效率还是会降低。另外volatile关键字会免去一些jvm的优化,应适当运用volatile关键字。

总结对比synchronized和volatile:

两者都能实现变量的可见性,但volatile并不能保证对数据操作的原子性,volatile只能让被他修饰内容具有可见性,但不能保证它具有原子性。比如 volatile int a = 0;之后有一个操作 a++;这个变量a具有可见性,但是a++ 依然是一个非原子操作,也就是这个操作同样存在线程安全问题。可以这么说:我们可以使用synchronized替代volatile,但不能使用volatile完全替代synchronized,volatile比synchronized更轻量更简洁。