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内存模型与轻量级同步机制volatile

搬砖俱乐部

发布于 2019-06-15 09:33:33

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Java中为了线程通信的安全性（数据一致性），除了提供内置锁synchronized和显示锁ReentrantLock，还提供了另外一种线程同步机制——volatile，是一种轻量级同步机制。不过，通常很难轻易的理解volatile的真正意义。下面通过一个例子来认识一下volatile（摘自《深入理解Java虚拟机》）：

public volatile static int race = 0;

private static void increase() {
    race++;
}

private static final int THREADS_COUNT = 20;

public static void main(String[] args) {
    Thread[] threads = new Thread[THREADS_COUNT];
    for (int i = 0; i < THREADS_COUNT; i++) {
        threads[i] = new Thread(() -> {
            for (int i1 = 0; i1 < 10000; i1++) {
                increase();
            }
        });
        threads[i].start();
    }
    try {
        Thread.sleep(5000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    System.out.println(race);
}

通过运行这个例子，我们发现race变量最后的值，肯定会小于200000，这是为什么呢？由于volatile只能保证可见性，不能保证原子性。而race++不是原子操作，所以需要在increase方法加锁来保证原子性。而在increase方法加锁后，即使race不用volatile修饰也能得到期望值。看完之后还是一头雾水，没有真正理解其中的意义。

下面我们通过Java内存模型分析，来真正理解volatile的含义以及使用场景：

CPU缓存一致性

我们知道现代计算机为了解决存储设备与处理器处理速度的差距，在CPU和主存之间增加了多层高速缓存，每个CPU都会有一套高速缓存，那么多核计算机就有多套高速缓存。这些高速缓存与内存之间进行读写访问的过程，在不同处理器有不一样的实现方式，也就是不同处理器的内存模型是不一致的（图a，Intel的共享L2缓存；图b，AMD的独享L2缓存）。

当程序运行过程中，会将运算所需要的数据从主存中复制一份到高速缓存中，各个处理器都操作对应的高速缓存的数据，而不直接操作主存，当运算结束后，将高速缓存中的最新数据刷到主存中。这样可以极大的提升CPU的吞吐量，但也引入了新的问题，也就是缓存一致性问题。Intel的MESI协议的提出，就是为了保证每个缓存中使用的共享数据都是一致的，它的具体思想是，每个缓存（Cache）不仅知道自己的读写操作，而且也监听其他Cache的读写操作。当进行读操作时，Cache可以从主存中或者其他Cache中读取数据；当进行写数据时，不仅将Cache的数据反向更新到主存中，也要通知其他Cache该数据无效，需要其他Cache重新从主存中读取数据。

Java内存模型

Java虚拟机也有自己的Java内存模型（Java Memory Model JMM），用来屏蔽掉各种硬件和操作系统的内存访问差异，以实现各种平台下Java内存访问效果的一致。Java内存模型规定了所有共享数据的存储都在Java虚拟机的主内存（堆）中，每个线程拥有自己的工作内存（栈），用来保存被该线程使用到的数据的主内存副本。线程对数据的操作都必须在工作内存中进行，而不能直接操作主内存，也不能直接读写其他线程工作内存的数据，线程间的数据传递都需要通过主内存来完成。

Java内存模型的特性

原子性

Java内存模型定义了8种原子性的操作，来保证数据在主内存和工作内存中的交互，包括：锁定（lock）、解锁（unlock）、读取（read）、载入（load）、使用（use）、赋值（assign）、存储（store）。

在Java语言中，对基本数据类型的变量的读取赋值操作也是原子性的（long、double的非原子性协定），对引用类型变量的读取和赋值操作也是原子性的，但对于一些++、x=y这种运算赋值不是原子性的，也就是多个原子性操作组合在一起就不是原子性的操作了。Java还提供了更大范围的原子性操作，通过synchronized和显式锁ReentrantLock来实现。

可见性

可见性是指当一个线程修改了共享数据的值时，其他线程能理解得知这个变化。volatile能保证新值能立即同步到主内存中，普通变量不能保证立即，所以普通变量不能保证可见性。另外同步机制synchronized与显式锁ReentrantLock也能保证可见性，因为每次只允许一个线程操作共享数据，只有等当前线程操作完，其他线程才能获得权限，所以同步机制也能保证可见性。

有序性

Java线程的天然有序性可以一句话来总结：如果在本线程内观察，所有的操作都是有序的，如果在一个线程中观察另一个线程，所有操作都是无序的。由于Java编译器可以对Java代码进行指令重排序，也就是单线程下，指令重排序不会影响结果，但多线程情况下，会影响执行结果的。Java内存模型通过happens-before原则，来推导两个操作的执行顺序，否则编译器将无法保证有序性。所以为了保证代码执行的有序性，Java提供volatile和内置锁synchronized来完成。