java并发编程 volatile关键字 精准理解

1、volatile的作用

　　一个线程共享变量（类的成员变量、类的静态成员变量等）被volatile修饰之后，就具有以下作用：

　　1）并发中的变量可见性（不同线程对该变量进行操作时的可见性），即一个线程修改了某个变量的值，则该新值对其他线程立即可见（可立即访问新值/立即强制写入主存）；

　　2）禁止指令重排（包括java编译器和CPU运行时指令重排序）；

3）禁用缓存（java虚拟机规范）---子线程的工作内存（包括了CPU缓存）。

2、相关概念

2.1）指令重排序：

（1）java编译器运行时指令重排序（实质是JVM的优化处理），java源码编译生成class文件后，JVM需要在运行时(runtime)将字节码文件（class文件）转化为操作系统能够执行的指令（JIT编译器），在转换的过程中jvm会对指令进行优化调整，以提高运行效率。

（2）CPU运行时指令重排序，cpu优化的方式，为避免处理器访问主内存的时间开销，处理器采用缓存机制（三层缓存）提高性能（缓存之间的数据一致性遵循协议规范），当CPU写缓存时，发现缓存区块正被其他CPU占用，为了提高CPU的处理性能，可能将后面的读缓存命令优先执行。

　2.2）java内存模型规范：

线程要操作共享变量时，需要从主内存读取到工作内存，改变值后需要从工作内存同步到主内存中。多线程的情况下，同步到主内存时遵循同步协议规范。

3、相关现象分析

3.1）先看一段代码，

public class VolatileInfo {

	private static boolean flag = true;

	public static void main(String[] args) {
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				long start = System.currentTimeMillis();
				long end = 0;
				int index = 0;
				while (VolatileInfo.flag) {
					index++;
					end = System.currentTimeMillis();
					if ((end-start)/1000==5) {//5秒之后结束任务
						break;
					}
				}
				System.out.println("index:"+index);
				System.out.println("cost:"+(end-start)/1000+"s");
			}
		}).start();

		try {
			TimeUnit.SECONDS.sleep(2);//阻塞线程2秒
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}

		VolatileInfo.flag = false;
		System.out.println("条件置为false");
	}
}

　　输出结果：

条件置为false
index:269460217
cost:5s

　　耗时5秒，并不是2秒后停止（注：静态变量flag用volatile 修饰后执行时间是2秒）。

3.2）问题分析：

1）主线程阻塞后修改的flag的值并没有及时写入到主存，子线程没有及时读取到flag值，导致循环继续执行---即存在缓存；

2）指令重排序，先从主内存中执行读的操作，陷入死循环，不再向主内存写入。

3.3）解决办法：

1）flag变量使用volatile关键词修饰；

　 2）使用Synchronized加同步锁（从主存中直接读取，相当于禁用缓存，参考4.3）；

	while (VolatileInfo.flag) {
		synchronized (this) {
		   index++;
		}
		end = System.currentTimeMillis();
		if ((end - start) / 1000 == 5) {// 5秒之后结束任务
			break;
		}
	}

3）从eclipse中将jvm执行class文件的方式改为client（默认是server模式，jvm进行了一些优化调整）；

4）从eclipse中配置添加关闭server优化的参数---此处请自行百度^_^；              ---------- 禁止指令重排。

4、扩展知识点

4.1）java内存模型多线程情况下的工作内存和主内存同步协议的8种原子操作：

　　lock(锁定)：作用于主内存，将主内存中的变量锁定，为一个线程所独有；

unlock(解锁)：作用于主内存，解除lock的锁定，释放后的变量能够被其他线程访问；

　　read(读取)：作用于主内存，将主内存中的变量读取到工作内存中，以便随后的load动作使用；

　　load(载入)：作用于工作内存，它把read读取的值保存到工作内存中的变量副本中；

　　use(使用)：作用于工作内存，它把工作内存中的值传递给线程代码执行引擎；

　　assign(赋值)：作用于工作内存，它把从执行引擎处理返回的值重新赋值给工作内存中的变量；

　　store(存储)：作用于工作内存，将变量副本中的值传送到主内存中，以备随后的write操作使用；

　　write(写入)：作用于主内存，它把store传送值写到主内存的共享变量中。

4.2）java内存模型操作规范：

　　1）将一个变量从主内存复制到工作内存要顺序依次（不一定连续）执行read、load操作；

2）做了assign操作，必须同步回主内存等。

4.3）保证线程共享变量可见性的方式：

　　1）用final修饰的变量

2) Synchronized 同步锁

　　　　Synchronized规范， 进入同步块前，先清空工作内存中的共享变量，从主内存中重新加载； 解锁前必须把修改的共享变量同步回主内存。

　　　 锁机制，锁机制保护共享资源，只有获得锁的线程才能操作共享资源。

3) 用volatile修饰的变量

　　　　volatile语义规范，使用volatile修饰的变量时，必须从主内存中加载，并且read、load是连续的；修改volatile修饰的变量时，必须立即同步到主内存，并且store、write是连续的。

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