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[Java教程]Java多线程:volatile变量、happens


什么是 Volatile 变量?
Volatile 是 Java 中的一个关键字。你不能将它设置为变量或者方法名,句号。

认真点,别开玩笑,什么是 Volatile 变量?我们应该什么时候使用它?
哈哈,对不起,没法提供帮助。

volatile 关键字的典型使用场景是在多线程环境下,多个线程共享变量,由于这些变量会缓存在 CPU 的缓存中,为了避免出现内存一致性错误而采用 volatile 关键字。

考虑下面这个生产者/消费者的例子,我们每次生成/消费一个元素:

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public class ProducerConsumer {
  private String value = "";
  private boolean hasValue = false;
  public void produce(String value) {
    while (hasValue) {
      try {
        Thread.sleep(500);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
    System.out.println("Producing " + value + " as the next consumable");
    this.value = value;
    hasValue = true;
  }
  public String consume() {
    while (!hasValue) {
      try {
        Thread.sleep(500);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
    String value = this.value;
    hasValue = false;
    System.out.println("Consumed " + value);
    return value;
  }
}



在上面的类中,produce 方法通过存储参数来生成一个新的值,然后将 hasValue 设置为 true。while 循环检测标识变量(hasValue)是否 true,true 表示一个新的值没有被消费,要求当前线程睡眠(sleep),该睡眠一直循环直到标识变量 hasValue 变为 false,只有在新的值被 consume 方法消费完成后才能变为 false。如果没有有效的新值,consume 方法要求当前睡眠,当一个 produce 方法生成一个新值时,睡眠循环终止,并改变标识变量的值。

现在想象有两个线程在使用这个类的对象,一个生成值(写线程),另个一个消费值(读线程)。通过下面的测试来解释这种方式:

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public class ProducerConsumerTest {
  <a href='http://www.jobbole.com/members/madao'>@Test</a>
  public void testProduceConsume() throws InterruptedException {
    ProducerConsumer producerConsumer = new ProducerConsumer();
    List&lt;String&gt; values = Arrays.asList(&quot;1&quot;, &quot;2&quot;, &quot;3&quot;, &quot;4&quot;, &quot;5&quot;, &quot;6&quot;, &quot;7&quot;, &quot;8&quot;,
        &quot;9&quot;, &quot;10&quot;, &quot;11&quot;, &quot;12&quot;, &quot;13&quot;);
    Thread writerThread = new Thread(() -&gt; values.stream()
        .forEach(producerConsumer::produce));
    Thread readerThread = new Thread(() -&gt; {
      for (int i = 0; i &gt; values.size(); i++) {
        producerConsumer.consume();
      }
    });
    writerThread.start();
    readerThread.start();
    writerThread.join();
    readerThread.join();
  }
}



这个例子大部分时候都能输出期望的结果,但是也有很大概率会出现死锁!

怎么会?
我们先简单讨论一下计算机的结构。

我们都知道计算机是由内存单元和 CPU (还有许多其他部分)组成。主内存就是程序指令、变量、数据存储的地方。程序执行期间,为了获得更好的性能,CPU 可能会将变量拷贝到自己的内存中(即所谓的 CPU 缓存)。由于现代计算机有多个 CPU,同样也存在多个 CPU 缓存。

在多线程环境下,有可能多个线程同时执行,每个线程使用不同的 CPU(虽然这完全依赖于底层的操作系统),每个 CPU 都从主内存中拷贝变量到它自己的缓存中。当一个线程访问这些变量时,是直接访问缓存中的副本,而不是真正访问主内存中的变量。

现在,假设在我们的测试中有两个线程运行在不同的 CPU 上,并且其中的有一个缓存了标识变量(或者两个都缓存了)。现在考虑如下的执行顺序

1、写线程生成一个值,并将 hasValue 设置为 true。但是只更新缓存中的值,而不是主内存。

2、读线程尝试消费一个值,但是它的缓存副本中 hasValue 被设置为 false,所以即使写线程生产了一个新的值,也不能被消费,因为读线程无法跳出睡眠循环(hasValue 的值为 false)。

3、因为读线程不能消费新生成的值,所以写线程也不能继续,因为标识变量没有设置回 false,因此写线程阻塞在睡眠循环中。

4、这样,就产生了死锁!

这种情况只有在 hasValue 同步到所有缓存才能改变,这完全依赖于底层的操作系统。

那怎么解决这个问题? volatile 怎么会适合这个例子?
如果我们将 hasValue 标示为 volatile,我就能确定这种死锁就不会再发生。

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private volatile boolean hasValue = false;



volatile 变量强制线程每次读取的时候都直接从主内存中读取,同时,每次写 volatile 变量的时候也要立即刷新主内存中的值。如果线程决定缓存变量,就需要每次读写的时候都与主内存进行同步。

做这个改变之后,我们再来考虑前面导致死锁的执行步骤

1、写线程生成一个值,并将 hasValue 设置为 true,这次直接更新主内存中的值(即使这个变量被缓存了)。

2、读线程尝试消费一个值,先检查 hasValue 的值,每次读取都强制直接从主内存中获取值,所以能获取到写线程改变后的值。

3、读线程消费完生成的值后,重新设置标识变量的值,这个新的值也会同步到主内存(如果这个值被缓存了,缓存的副本也会更新)。

4、写线程获每次都是从主内存中取这个改变了的值,这样就能继续生成新的值。

现在,大家都很幸福了^_^ !

我知道了,强制线程直接从内存中读写线程,这是 Volatile 所能做全部的事情吗?
实际上,它还有更多的功能。访问一个 volatile 变量会在语句间建立 happens-before 关系。

什么是 happens-before 关系?
happens-before 关系是程序语句之间的排序保证,这能确保任何内存的写,对其他语句都是可见的。

这与 Volatile 是怎么关联的?
当写一个 volatile 变量时,随后对该变量读时会创建一个 happens-before 关系。所以,所有在 volatile 变量写操作之前完成的写操作,将会对随后该 volatile 变量读操作之后的所有语句可见。

嗯…,好吧…,我有点明白了,但是可能通过一个例子会更清楚。
好,对这个模糊的概念我表示很抱歉。考虑下面这个例子:

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// Definition: Some variables
// 变量定义
private int first = 1;
private int second = 2;
private int third = 3;
private volatile boolean hasValue = false;
// First Snippet: A sequence of write operations being executed by Thread 1
//片段 1:线程 1 顺序的写操作
first = 5;
second = 6;
third = 7;
hasValue = true;
// Second Snippet: A sequence of read operations being executed by Thread 2
//片段 2:线程 2 顺序的读操作
System.out.println("Flag is set to : " + hasValue);
System.out.println("First: " + first);  // will print 5 打印 5
System.out.println("Second: " + second); // will print 6 打印 6
System.out.println("Third: " + third);  // will print 7 打印 7



我们假设上面的两个代码片段有由两个线程执行:线程 1 和线程 2。当第一个线程改变 hasValue 的值时,它不仅仅是刷新这个改变的值到主存,也会引起前面三个值的写(之前任何的写操作)刷新到主存。结果,当第二个线程访问这三个变量的时候,就可以访问到被线程 1 写入的值,即使这些变量之前被缓存(这些缓存的副本都会被更新)。

这就是为什么我们不需要像第一个示例一样将变量标示为 volatile 。因为我们的写操作在访问 hasValue 之前,读操作在 hasValue 的读之后,它会自动与主内存同步。

还有另一个有趣的结论。JVM 因它的程序优化机制而闻名。有时对程序语句的重排序可以大幅度提高性能,并且不会改变程序的输出结果。例如,它可能会修改如语句的顺序:

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first = 5;
second = 6;
third = 7;



为:

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second = 6;
third = 7;
first = 5;



但是,当多条语句涉及到对 volatile 变量的访问时,它永远不会将 volatile 变量前的写语句放在 volatile 变量之后,意思就是,它永远不会转换下列顺序:

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first = 5// write before volatile write //volatile 写之前的写
second = 6// write before volatile write //volatile 写之前的写
third = 7;   // write before volatile write //volatile 写之前的写
hasValue = true;



为:

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first = 5;
second = 6;
hasValue = true;
third = 7// Order changed to appear after volatile write! This will never happen!
third = 7// 顺序发生了改变,出现在了 volatile 写之后。这永远不会发生。



即使从程序的正确性的角度来说,上面两种情况是相等的。但请注意,JVM 仍然允许对前三个变量的写操作进行重排序,只要它们都出现在 volatile 写之前即可。

类似的,JVM 也不会将 volatile 变量读之后的读操作重排序到 volatile 变量之前。意思就是说,下面的顺序:

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System.out.println("Flag is set to : " + hasValue);  // volatile read //volatile 读
System.out.println("First: " + first);  // Read after volatile read // volatile 读之后的读
System.out.println("Second: " + second); // Read after volatile read// volatile 读之后的读
System.out.println("Third: " + third);  // Read after volatile read// volatile 读之后的读



JVM 永远不会转换为如下的顺序:

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System.out.println("First: " + first);  // Read before volatile read! Will never happen! //volatile 读之前的读!永远不可能出现!
System.out.println("Fiag is set to : " + hasValue); // volatile read //volatile 读
System.out.println("Second: " + second);
System.out.println("Third: " + third);



但是,JVM 也有可能会对最后的三个读操作重排序,只要它们在 volatile 变量读之后即可。

我感觉 Volatile 变量会对性能有一定的影响。
你的感觉是对的,因为 volatile 变量强制访问主存,而访问主存肯定被访问 CPU 缓存慢。同时,它还防止 JVM 对程序的优化,这也会降低性能。

我们总能用 Volatile 变量来维护多线程之间的数据一致性吗?
非常不幸,这是不行的。当多个线程读写同一个变量时,仅仅靠 volatile 是不足以保证一致性的,考虑下面这个 UnsafeCounter 类:

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public class UnsafeCounter {
  private volatile int counter;
  public void inc() {
    counter++;
  }
  public void dec() {
    counter--;
  }
  public int get() {
    return counter;
  }
}



测试如下:

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public class UnsafeCounterTest {
  <a href='http://www.jobbole.com/members/madao'>@Test</a>
  public void testUnsafeCounter() throws InterruptedException {
    UnsafeCounter unsafeCounter = new UnsafeCounter();
    Thread first = new Thread(() -&gt; {
      for (int i = 0; i &lt; 5; i++) {
        unsafeCounter.inc();
      }
    });
    Thread second = new Thread(() -&gt; {
      for (int i = 0; i &lt; 5; i++) {
        unsafeCounter.dec();
      }
    });
    first.start();
    second.start();
    first.join();
    second.join();
    System.out.println(&quot;Current counter value: &quot; + unsafeCounter.get());
  }
}



这段代码具有非常好的自说明性。一个线程增加计数器,另一个线程将计数器减少同样次数。运行这个测试,期望的结果是计数器的值为 0,但这无法得到保证。大部分时候是 0,但有的时候是 -1, -2, 1, 2 等,任何位于[-5, 5]之间的整数都有可能。

为什么会发生这种情况?这是因为对计数器的递增和递减操作都不是原子的——它们不是一次完成的。这两种操作都由多个步骤组成,这些步骤可能相互交叉。你可以认为递增操作如下:
读取计数器的值。
加 1。
将新的值写回计数器。

递减操作的过程如下:

读取计数器的值。
减 1。
将新的值写回计数器。

现在我们考虑一下如下的执行步骤

第一个线程从主存中读取计数器的值,初始值是 0,然后加 1。
第二个线程也从主存中读取计数器的值,它读取到的值也是 0,然后进行减 1 操作。
第一线程将新的计数器的值写回内存,将值设置为 1。
第二个线程也将新的值写回内存,将值设置为 -1。

怎么防止这类事件的发生?
使用同步:

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public class SynchronizedCounter {
  private int counter;
  public synchronized void inc() {
    counter++;
  }
  public synchronized void dec() {
    counter--;
  }
  public synchronized int get() {
    return counter;
  }
}



或者使用 AtomicInteger:

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public class AtomicCounter {
  private AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
  public void inc() {
    atomicInteger.incrementAndGet();
  }
  public void dec() {
    atomicInteger.decrementAndGet();
  }
  public int get() {
    return atomicInteger.intValue();
  }
}



我个人的选择是使用 AtomicInteger,因为 synchronized 只允许一个线程访问 inc/get/get 方法,对性能影响较大。

我注意到采用 Synchronized 的版本并没有将计数器标识为 volatile,难道这意味着……?
对的。使用 synchronized 关键字也会在语句之间建立 happens-before 关系。进入一个同步方法或块时,会将之前的语句和该方法或块内部的语句建立 happens-before 关系。

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