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淺談volatile變量的理解

在Java并發(fā)編程里面，volatile是個(gè)很重要的概念，大象也來(lái)講講自己對(duì)它的理解。
  以前曾經(jīng)有段時(shí)間我一直沒(méi)搞明白volatile到底怎么用，它是怎樣實(shí)現(xiàn)的同步，而且對(duì)于volatile變量還有一些限制條件。任何技術(shù)在沒(méi)完全弄明白之前，至少在沒(méi)熟練掌握之前都不太敢放心大膽的用，大象想將自己對(duì)它的理解分享出來(lái)，給需要的人一些幫助。
  volatile是輕量級(jí)的鎖，它只具備可見(jiàn)性，但沒(méi)有原子特性。用volatile聲明的變量，它的同步特性，簡(jiǎn)單來(lái)講就是對(duì)該變量的單個(gè)讀/寫(xiě)是同步的。這是什么意思呢？我還是以共享變量i為例，不過(guò)在i的前面加上了volatile修飾符。
  private volatile int i = 0;
  public int get() {
      return i;
  }
  public void set(int i) {
      this.i = i;
  }

  為了與傳統(tǒng)的getXXX和setXXX方法區(qū)別開(kāi)來(lái)，我將方法名改成了上面這樣。對(duì)于get和set方法，如果有多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)，volatile是可以保證i的原子性的，再簡(jiǎn)單點(diǎn)講，對(duì)于變量i，get和set方法是同步的。這是通過(guò)什么來(lái)保證的呢？是通過(guò)Java語(yǔ)言規(guī)范:如果一個(gè)字段被聲明為volatile，Java內(nèi)存模型確保所有線程看到這個(gè)變量的值是一致的。
  看到這里，可能有的童鞋會(huì)想，既然volatile可以保證內(nèi)存可見(jiàn)性，那不就解決了淺談Java共享變量這篇文章里面講到的共享變量的并發(fā)問(wèn)題嗎？只要在i的前面加上volatile就可以解決同步問(wèn)題了，你確定？實(shí)踐是最好的辦法，動(dòng)手試下，看看結(jié)果如何。
  事實(shí)證明這個(gè)辦法行不通，為什么呢？原因出在i++上面，增量操作符++不是原子的。這個(gè)操作分解開(kāi)來(lái)看是先從堆內(nèi)存中獲得i值的副本放到緩存中，然后對(duì)副本值加1，最后再將副本值寫(xiě)回到堆內(nèi)存的變量i中。從這個(gè)過(guò)程我們可以看到，從堆內(nèi)存中獲得i(get方法)以及將值寫(xiě)回到i(set方法)這兩步都是同步的，但中間的就不能保證是同步的了。
  對(duì)于volatile修飾的變量，只保證了他的可見(jiàn)性，但不保證原子性。最常用的應(yīng)該是boolean類(lèi)型，它用來(lái)作為狀態(tài)標(biāo)志，因?yàn)樗挥?/span>true和false兩個(gè)值，不會(huì)有非原子性的操作。當(dāng)然不是說(shuō)只能用在布爾類(lèi)型變量上面，其它的基本類(lèi)型和對(duì)象類(lèi)型都可以用。但一定需要小心謹(jǐn)慎的處理，以免掉進(jìn)并發(fā)陷阱而不知。比如volatile變量就不適合用于不變性條件這種情況，以上下限為例，lower必須小于upper，這就是一種不變性條件，你可以理解為這是一種規(guī)則限制。它們都只有set與get方法，但在set方法里面加入了約束條件，這時(shí)，volatile的可見(jiàn)性就不能保證并發(fā)時(shí)，lower與upper之間的不變性條件(lower<upper)一定成立了。

  /*
* volatile只保證lower與upper的最后寫(xiě)入一定會(huì)被其它讀取的線程看到
* 但不能保證在lower或upper寫(xiě)入時(shí)，另一個(gè)變量的值沒(méi)有發(fā)生變化
*/
  private volatile int lower;
  private volatile int upper;

  public int getLower() {
      return lower;
  }

  public int getUpper() {
      return upper;
  }

  public void setLower(int lower) {
      if (lower > upper)
          throw new IllegalArgumentException();
      this.lower = lower;
  }

  public void setUpper(int upper) {
      if (upper < lower)
          throw new IllegalArgumentException();
      this.upper = upper;
  }

  如果lower和upper的初始值為0和10，同一時(shí)刻，線程1調(diào)用setLower(8)，線程2調(diào)用setUpper(2)，執(zhí)行上完全沒(méi)問(wèn)題，但是現(xiàn)在的lower和upper的值就變?yōu)榱?/span>8和2這種無(wú)效的數(shù)據(jù)了，所以volatile只能確保可見(jiàn)性，不能確保原子性。
  所以在使用volatile變量時(shí)，請(qǐng)考慮是否滿(mǎn)足下面這樣的要求：
      1、對(duì)變量的寫(xiě)入操作不依賴(lài)變量的當(dāng)前值(i++這種操作就不行)
      2、沒(méi)有用于其它變量的不變式條件中(lower<upper)
  到這里，我們已經(jīng)明白了：用volatile修飾的變量只具備可見(jiàn)性，那么它是怎么保證可見(jiàn)性的呢？
  現(xiàn)在大家用的電腦CPU基本上都是多核的，至少兩核，緩存也有很多級(jí)(L1、L2、L3)。代碼在JVM里面執(zhí)行的時(shí)候，JVM如果發(fā)現(xiàn)有CPU在處理volatile變量的寫(xiě)入操作，就會(huì)告訴該CPU將當(dāng)前緩存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)回到堆內(nèi)存中，但這時(shí)其它CPU的緩存值還是舊的，再執(zhí)行操作就會(huì)有問(wèn)題，所以在處理器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了緩存一致性協(xié)議，當(dāng)有緩存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)回內(nèi)存時(shí)會(huì)引起其它CPU里這個(gè)volatile變量的緩存值無(wú)效，如果這時(shí)候其它CPU要想使用就必須到堆內(nèi)存中重新讀取該值，這樣就實(shí)現(xiàn)了volatile變量的可見(jiàn)性。我這樣講方便大家理解，實(shí)際的情況比這復(fù)雜的多。
  以上是大象關(guān)于volatile變量的一些淺薄見(jiàn)解，真的很淺，大象學(xué)藝不精，有什么不對(duì)的，還請(qǐng)各位指出來(lái)。謝謝！
  本文為菠蘿大象原創(chuàng)，如要轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。http://m.tkk7.com/bolo

posted on 2014-06-20 17:08 菠蘿大象閱讀(5979) 評(píng)論(2) 編輯收藏所屬分類(lèi): Concurrency

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