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Java內(nèi)存模型中volatile的內(nèi)存語義及對(duì)同步的作用

QLQ / 2474人閱讀

摘要:一接觸內(nèi)存模型中的實(shí)例靜態(tài)變量以及數(shù)組都存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中,可在線程之間共享。所以,在編碼上實(shí)現(xiàn)鎖的內(nèi)存語義,可以通過對(duì)一個(gè)變量的讀寫,來實(shí)現(xiàn)線程之間相互通知,保證臨界區(qū)域代碼的互斥執(zhí)行。

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volatile關(guān)鍵字: 使用volatile關(guān)鍵字修飾的的變量,總能“看到”任意線程對(duì)它最后的寫入,即總能保證任意線程在讀寫volatile修飾的變量時(shí),總是從內(nèi)存中讀取最新的值。以下是volatile在內(nèi)存中的語義實(shí)現(xiàn)及同步的原理。

一:接觸內(nèi)存模型

Java中的實(shí)例、靜態(tài)變量以及數(shù)組都存儲(chǔ)在堆內(nèi)存中,可在線程之間共享。而Java進(jìn)程間通信由Java內(nèi)存模型(JMM)控制,JMM可以決定共享變量的寫入何時(shí)對(duì)另一個(gè)線程可見。(從JDK5開始,Java使用JSR-133內(nèi)存模型,從該規(guī)定開始,即使是在32位的機(jī)器上,一個(gè)64位的double/long的讀操作也必須滿足原子性)


[圖1.1]
本地內(nèi)存是JMM抽象的一個(gè)概念

二:順序一致性與重排序

從我學(xué)習(xí)編程語言開始,所認(rèn)知的是“程序順序執(zhí)行”。然而,順序一致性只是一種理想模型。從源代碼到機(jī)器指令的這一過程中,編譯器和處理器往往會(huì)對(duì)指令做一些重排序從而提高性能,但是重排序會(huì)依據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn):

不改變單線程程序語義

不影響數(shù)據(jù)依賴。

happens-before

如果一個(gè)操作的執(zhí)行結(jié)果需要對(duì)另一個(gè)操作可見,則兩個(gè)操作之間滿足happens-before關(guān)系。happens-before具有傳遞性
對(duì)于一個(gè)volatile變量的寫操作,happens-before于任意后續(xù)對(duì)這個(gè)變量的讀

as-if-serial

as-if-serial規(guī)定,如果操作直接存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系,則不允許重排序。不管怎么重排序,都必須遵守as-if-serial語義。

int a = 1;         //(1)
int b = 2;         //(2)
int c = a + b;     //(3)

上面的代碼中,(1)(2)之間不存在以來和happens-before關(guān)系,可以重排序,而(1)(3)和(2)(3)之間都存在as-if-serial關(guān)系,不能重排序

as-if-serial保護(hù)單線程程程序的語義正確性,使我們無需擔(dān)心重排序?qū)ξ覀兊挠绊?,也使我們產(chǎn)生一種錯(cuò)覺:單線程程序就是順序執(zhí)行的。

拓展資料--重排序的三種類型:

 (1)編譯器優(yōu)化重排序
 (2)指令集并行重排序
 (3)內(nèi)存系統(tǒng)的重排序

三:多線程與重排序的思考

我們將happens-before和as-if-serial的關(guān)系引入到多線程中。我們可以將多線程的所有操作想象成在時(shí)間軸上的順序執(zhí)行的單線程程序。(以下流程圖使用Markdown語法繪制,有些地方不支持)

互不干涉的并發(fā)

在多線程的程序中,假如線程相互之間不涉及共享的變量,亦即互相不干涉,則兩個(gè)線程之間既沒有happens-before的關(guān)系,也沒有as-if-serial語義的約束,所以各個(gè)線程之間操作可以任意合并重排序:

線程A的執(zhí)行流程

st=>start: 線程A
op1=>operation: op-a-1
op2=>operation: op-a-2
op3=>operation: op-a-3
e=>end
st->op1->op2->op3->e

線程B的執(zhí)行流程

st=>start: 線程B
op1=>operation: op-b-1
op2=>operation: op-b-2
op3=>operation: op-b-3
e=>end
st->op1->op2->op3->e

并發(fā)的可能的執(zhí)行順序

st=>start: 重排序
op1=>operation: op-a-1
op2=>operation: op-b-1
op3=>operation: op-b-2
op4=>operation: op-a-2
op5=>operation: op-a-3
op6=>operation: op-b-3
e=>end
st->op1->op2->op3->op4->op5->op6->e
共享變量的并發(fā)

當(dāng)線程之間涉及到共享變量時(shí),涉及到了線程之間的通信,即如圖1.1所示,此時(shí)并發(fā)所存在的問題(臟讀、幻讀、不可重復(fù)讀)明顯可見,但是,如果線程沒有正確地同步(通信),線程之間無法明確共享變量何時(shí)被寫入。因?yàn)榇藭r(shí)所面對(duì)的問題就如將線程合并到時(shí)間軸上和重排序后是否違反happens-before和as-if-serial的語義了:

線程A

st=>start: 線程A
op1=>operation: a讀共享變量x
op2=>operation: a寫共享變量x
e=>end
st->op1->op2->e

線程B

st=>start: 線程B
op1=>operation: b讀共享變量x
op2=>operation: b寫共享變量x
e=>end
st->op1->op2->e

假如不同步,程序可能的執(zhí)行順序

st=>start: 重排序
op1=>operation: a讀共享變量x
op2=>operation: b寫共享變量x
op3=>operation: b讀共享變量x
op4=>operation: a寫共享變量x
e=>end
st->op1->op2->3->4->e

上面的程序執(zhí)行順序很顯然有臟讀的問題,而程序并發(fā)執(zhí)行的正確語義應(yīng)該有如下兩種:

a讀共享變量x happens-before a寫共享變量x,a寫共享變量x happens-before b讀共享變量x, b讀共享變量x happens-before b寫共享變量x

b讀共享變量x happens-before b寫共享變量x,b寫共享變量x happens-before a讀共享變量x,a讀共享變量x happens-before a寫共享變量x

所以,為程序保證并發(fā)操作的正確性,多線程對(duì)共享變量的非原子操作上,必須采用有效的通信方式來使其對(duì)共享變量的操作對(duì)其它線程可見,這就引入了volatile同步方式。

四:從volatile的內(nèi)存語義到鎖

JMM通過在指令序列中插入內(nèi)存屏障來限制編譯器的指令重排序,實(shí)現(xiàn)volatile的內(nèi)存語義

JSR-133中,對(duì)于volatile變量寫的內(nèi)存屏障插入策略

普通讀

普通寫

StoreStore屏障:禁止前面的普通寫和volatile寫重排序,保證前面的普通變量寫從本地內(nèi)存緩存刷新到主存中

volatile寫

StoreLoad屏障:防止volatile寫和下面有可能出現(xiàn)的volatile讀發(fā)生重排序

JSR-133中,對(duì)于volatile變量讀的內(nèi)存屏障插入策略

volatile讀

LoadLoad屏障:禁止下面的普通讀和volatile讀重排序

LoadStore屏障:禁止下面的普通寫和volatile讀重排序

內(nèi)存屏障對(duì)同步的作用

從上面我們可以看到,通過volatile關(guān)鍵字,構(gòu)建了happens-before的關(guān)系,限制普通變量和volatile變量讀寫的操作指令重排序,有效保證了程序語義的正確性。從下面圖我們可以進(jìn)一步分析:

[圖4.2 volatile使線程之間的對(duì)共享變量操作的同步]

所以,volatile變量的寫-讀操作語義和Lock的獲取-釋放語義相同(這是JSR-133對(duì)volatile內(nèi)存語義增強(qiáng)后的),使用volatile我們亦可以靈活、輕量地實(shí)現(xiàn)對(duì)共享(普通)變量的同步:

volatile [volatile static int a = 1] Lock
讀volatile變量:while(a!=1); Lock acquire()
操作臨界資源(共享變量) 操作臨界資源(共享變量)
寫volatile變量[a=1] Lock release()

寫volatile變量時(shí),會(huì)將共享變量的本地內(nèi)存中的修改刷新到主存中

要想使用volatile完全代替鎖還需謹(jǐn)慎,volatile比較難像鎖一樣可以很好地保證整個(gè)臨界區(qū)域代碼的原子性

vloatile 保證對(duì)單個(gè)volatile變量讀/寫的原子性

保證臨界區(qū)域互斥執(zhí)行

但是,volatile的內(nèi)存語義為我們提供了鎖的思路,正如上面表格中使用volatile模仿Lock進(jìn)行同步,既保證了臨界區(qū)域的互斥執(zhí)行,又保證了任意線程對(duì)共享變量修改及時(shí)刷新到主內(nèi)存中,保證了線程間有效通信從而避免并發(fā)操作臨界資源的一些問題。

從volatile到鎖的思考

鎖可以讓臨界區(qū)域互斥執(zhí)行,那么線程之間必然存在一個(gè)同步的機(jī)制。

(1)volatile讀 -----> |屏障|--->臨界操作--->|屏障|--->volatile寫,成對(duì)的volatile構(gòu)建了happens-before的關(guān)系,并且保證了普通共享變量在volatile寫之前刷新到主內(nèi)存中

(2)結(jié)合線程間通信的方式

[圖4.3 線程間通信的方式]

上圖的線程A對(duì)共享變量的寫和線程B的讀共享變量,有單線程程序的順序一致性效果,此時(shí)我們可以想到volatile的作用。通過volatile變量,可以實(shí)現(xiàn)從A線程發(fā)送通知到B線程并且能夠保證happens-before的語義正確性(在并發(fā)時(shí)就很好理解為什么happens-before并不要求前一個(gè)操作一定要在后一個(gè)操作之前執(zhí)行,只需要前一個(gè)操作的結(jié)果對(duì)后一個(gè)操作可見),此時(shí)我們可推出鎖獲取和釋放的內(nèi)存語義:

線程A釋放一個(gè)鎖,即線程A向接下來要獲取鎖的線程B發(fā)出消息(A修改共享的變量)

線程B獲取一個(gè)鎖,即線程B接收到之前某個(gè)線程發(fā)出的消息(共享變量發(fā)生變化)

從一個(gè)線程釋放鎖,到另一個(gè)線程釋放鎖,實(shí)際上是兩條線程通過主線程同步對(duì)共享變量的操作,通過主內(nèi)存相互通信。所以,在Java編碼上實(shí)現(xiàn)鎖的內(nèi)存語義,可以通過對(duì)一個(gè)volatile變量的讀寫,來實(shí)現(xiàn)線程之間相互通知,保證臨界區(qū)域代碼的互斥執(zhí)行。

[以上內(nèi)容參考了《Java并發(fā)編程的藝術(shù)》,可能有謬誤,歡迎指正]

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